Fundacja Praca Moc Energia
NAUKA I ASTRONOMIA

Nadzieja dla naturalnie odczuwanej neuroprotetyki

Rozwój kontrolowanych myślą urządzeń protetycznych, które pomagają ludziom z uszkodzeniami kręgosłupa, amputacjami oraz innymi upośledzeniami, przedstawiony przez neuonaukowców z University of California z Berkeley oraz Champalimaud Center for the Unknown z Portugalii, pokazuje, że mózg jest dużo bardziej elastyczny i podatny na trenowanie niż do tej pory sądzono. Ich najnowsze badania zostały przedstawione 4 marca w zaawansowanej publikacji internetowego wydania dziennika Nature. POkazują one, że poprzez proces zwany neuroplastycznością (zdolność komórek nerwowych mózgu do regeneracji i tworzenia nowych sieci połączeń z innymi neuronami), części mózgu mogą zostać wytrenowane do wykonywania czynności, do której normalnie nie są stworzone. Te same obwody mózgowe zatrudnione w nabywaniu umiejętności motorycznych, takich jak jazda na rowerze czy prowadzenie samochodu, mogą zostać wykorzystywane do opanowania czysto mentalnych zadań, a nawet tych arbitralnych.

W ciągu ostatniej dekady, wnikanie w fale mózgowe, aby kontrolować bezcielesne obiekty, zostało przeniesione z królestwa sztuczek salonowych i parapsychologii do nowego, powstającego pola neuroprotetyki (dziedzina wiedzy związana z neurobiologią i inżynierią biomedyczną, zajmującą się uzupełnianiem wadliwych elementów układu nerwowego przy pomocy zastępczych materiałów sztucznych – protez lub implantów). Nowe badania pozwalają naukowcom na bardziej zaawansowane prace z wykorzystaniem obwodów mózgowych odpowiedzialnych za ruch naturalny, aby naśladować je w celu rozwoju urządzeń protetycznych.

“To na co mamy nadzieję, to uzyskanie naszego nowego spojrzenia na okablowanie mózgu oraz szerszy rozwój lepszych protez, które w odczuciu będą jak najbliższe naturalnym odpowiednikom”, powiedział Jose Carmena z University Of California – profesor inżynierii elektrycznej, neurobiologii i kogniwistyki. “Sugeruje to, że uczenie się kontrolowania BMI (interfejs mózg-komputer), który jest z natury nienaturalny, może wydawać się naturalne dla niektórych osób, gdyż nauka ta wykorzystyje wbudowane w mózg obwody odpowiadające za naturalną kontrolę ruchów”.

Carmena oraz współprowadzący autor badań – doktorant University Of California – Aaron Koralek, współpracowali przy tych badaniach z Rui Costą – jednym z głównych badaczy oraz głównym badaczem w programie Champalimaud Neuroscience (Champalimaud jest portugalską, prywatną fundacją zajmującą się biomedycyną, głównie na polach neurologii oraz leczenia raka). Kolejnym partycypantem badań jest Xin Jin, doktor pracujący w laboratorium z Costą.

Poprzednie badania zawiodły w wykluczeniu roli fizycznego ruchu podczas uczenia się używania urządzeń protetycznych.

“Jest to kluczowe dla osoób, które nie są w stanie się poruszać”, powiedział Carmena, który jest także zastępcą dyrektora Center for Neural Engineering and Prostheses działającego przy University Of California. “Większość badań interfejsu mózg-maszyna zostało przeprowadzonych u zdrowych, pełnosprawnych zwierząt. Nasze badania ukazują, że kontrola neuroprotez jest możliwa, nawet jeśli fizyczny ruch nie jest w ich użycie zaangażowany”.

W celu wyjaśnienia tych zagadnień, naukowcy zaprojektowali błyskotliwy eksperyment, w którym szczur może wykonać abstrakcyjne zadanie jeśli jawny, fizyczny ruch nie został zaangażowany. Naukowy oddzielili rolę motoneuronów (zwane także neuronami motorycznymi lub ruchowymi – neurony eferentne, które wychodzą swoimi wypustkami z rdzenia kręgowego lub pnia mózgu i tworzą synapsy z włóknami mięśniowymi służące do wywoływania skurczu) potrzebnych do wywołania drżenia wąsów z akcją potrzebną, aby otrzymać jedzenie, które było nagrodą za wykonanie zadania.

Szczury były wyposażone w interfejs mózg-maszyna, który zmienia fale mózgowe na słyszalne tony. Aby otrzymać nagrodę pożywienia – słodką wodę lub granulki – szczury musiały modulować swoje wzorce myślowe wewnątrz konkretnego obwodu mózgowego w celu podniesienia lub obniżenia wysokości sygnału.

Słyszalne sprzężenie zwrotne było przekazywane szczurom, tak aby mogły kojarzyć konkretne wzore myślowe z konkretnym dźwiękiem. W ciągu zaledwie dwóch tygodni, szczury szybko nauczyły się, żeby otrzymać pożywienie w granulkach należy wytworzyć wysokotonowy dźwięk, a do uzyskania dostępu do słodkiej wody potrzebny był dźwięk o niskich tonach. Jeśli grupa neuronów, które były użyte w zadaniu dla ich typowych funkcji jak drgania wąsów, wówczas żadna zmiana w wysokości dźwięku nie następowała i szczury nie mogły otrzymać swojej nagrody.

“To jest coś co nie jest naturalne dla szczurów”, mówi Costa. “Mówi nam to zatem, że jest możliwe opanowanie protezy w sposób, który aby ona działała, nie naśladuje anatomii naturalnego układu ruchu”.

Badania zostały również skonfigurowane w taki sposób, aby przedstawić umyślne, intencyjne zachowanie, będące w przeciwieństwie do nawykowego. Szczury były także zdolne do różnicowania ilości granulek czy słodkiej wody w zależności od poziomu głodu czy pragnienia.

“Szczury były świadome – wiedziały, że kontrolując wysokość dźwięków było czymś co dawało im nagrodę, tak więc kontrolowały jak wiele wody czy granulek wziąć, kiedy to zrobić oraz jak to wykonać bez fizycznego ruchu”, powiedział Costa.
Naukowcy mają nadzieję, że te odkrycia poprowadzą do stworzenia nowej generacji protez, które będą jak naturalne dla osób, które by ich używały. “Nie chcemy, aby ludzie musieli myśleć zbyt intensywnie, aby poruszyć robotycznym ramieniem, używając swoich mózgów”, zakończył Carmena.

Instytucjami, które wspomagają badania są: he National Science Foundation, Multiscale Systems Research Center, Defense Advanced Research Projects Agency, National Institute on Alcohol Abuse and Alcoholism, Marie Curie International oraz European Research Council.

Źródło: University of California


Nie opuść innych artykułów i programów
Zapisz się do comiesięcznego newslettera


Przeczytaj także

Obrazy połączeń mózgowych ukazują poziom inteligencji

Alan O. Grinde

Przez oczy do żołądka

Alan O. Grinde

Synchronizowanie ludzi celem badań nad czytaniem w myślach

Alan O. Grinde

Czerwony, niebieski, żółty – oto jak mózg kategoryzuje kolory

Anna Śnieżyńska

Nowe szanse dla sparaliżowanych osób

Alan O. Grinde

Potęga autyzmu. Zmiany w percepcji

Alan O. Grinde