В систему включены нейро-компьютерный интерфейс с внедренными в череп записывающими электродами и функциональную электростимуляцию (FES). Первым человеком, который испытал на себе технологию, стал 56-летний житель Кливленда Билл Кочевар (Bill Kochevar), который был парализован ниже плеч в результате ДТП. С ее помощью он восстановил движение рук и кистей.
«Наше исследование находится на ранней стадии, но мы полагаем, что этот нейропротез может предложить людям с параличом возможность восстановления функций рук для повседневной деятельности. Сейчас эта технология позволяет парализованному человеку дотянуться до предмета и взять его, то есть он может есть и пить. С дальнейшим развитием технология может дать более точный контроль, расширив возможный спектр действий», — отмечает ведущий автор исследования Болу Айбои (Bolu Ajiboye).
Эксперимент с Кочеваром — часть программы клинических испытаний BrainGate, которую проводит консорциум академических и медицинских учреждений, оценивающих безопасность и эффективность работы системы нейро-компьютерного интерфейса у людей с параличом. Другие исследовательские работы в рамках BrainGate показали, что люди могут управлять курсором на экране компьютера или роботизированной рукой.
Джонатан Миллер, доцент нейрохирургии в Медицинской школе Университета Кейс Вестерн Резерв, возглавил команду хирургов, которые имплантировали два 96-канальных массива электродов на поверхность мозга. Затем они имплантировали 36 электродов FES-систем, которые оживляют мышцы в верхней и нижней части руки.
Массивы записывают сигналы мозга, когда Кочевар представляет движение своей кисти или руки в целом. Нейрокомпьютерный интерфейс декодирует записанную информацию из мозговых сигналов о том, какие движения он намерен совершить, а затем она преобразуется системой FES в шаблоны электрических импульсов, чтобы управлять системой электростимуляции.
Импульсы, посылаемые через электроды FES, активируют работу мышц, контролирующих плечи, локти и запястья. Чтобы преодолеть гравитацию, которая иначе не позволила бы поднимать и протягивать руку, Кочевар использует мобильную поддержку рук, которая также находится под контролем его мозга.
Перед имплантацией Кочевар сначала научился использовать свои мозговые сигналы для перемещения руки в виртуальной реальности на экране компьютера. По мере того, как способности Кочевара к перемещению виртуальной руки улучшалась в течение последующих четырех месяцев обучения, исследователи предположили, что он будет способен контролировать руку и кисть.
Восемь лет атрофии мышц требовали реабилитации. Исследователи провели циклические процедуры электрической стимуляции руки и кисти Кочевара. За 45 недель его сила, диапазон движений и выносливость значительно улучшились. Когда он пытался двигать рукой, ученые настраивали шаблоны стимуляции для развития его двигательных способностей.
Теперь пациент может силой мысли заставить каждый сустав правой руки двигаться индивидуально. Или, просто подумав о питании или питье, он приводит мышцы в согласованное движение. Когда его попросили описать, как он командует движением рук, Кочевар ответил: «Я заставляю ее двигаться, не прилагая особых усилий. Я просто думаю об этом, и она работает».
Исследователи отмечают, что достижение, необходимое для того, чтобы технология использовалась вне лаборатории, не так уж далеко от реальности. Сейчас ведутся работы по созданию беспроводных имплантатов для головного мозга, а также исследователи совершенствуют схемы декодирования и стимуляции, необходимые для более точного определения движений. Полностью имплантируемые системы FES уже разработаны и проходят испытания в рамках отдельных клинических исследований.
Исследовательская технология BrainGate первоначально была разработана в Брауновском университете в лаборатории Джона Донохью, ныне основателя Центра био- и нейроинженерии Wyss в Женеве. Имплантируемые регистрирующие электроды, известные как массивы Юта, первоначально спроектированы Ричардом Норманом, заслуженным профессором биоинженерии в Университете штата Юта.
