ProtezaProtezele ce permit pacienţilor să simtă atingerea unor obiecte devin realitate. Degete bionice. Nervi refăcuţi. Ceea ce până nu demult era science-fiction devine realitate, deoarece oamenii de ştiinţă încearcă să confere protezei  un simţ tactil.

 

 

 

Proteză

Protezele modulare create de Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory.



Vikram Pandit priveşte spre dreapta sa în timp ce încearcă să ridice un pahar de plastic roşu de pe masa care se află în stânga sa. El prinde paharul şi-l zdrobeşte cu promptitudine. "Hopa", spune Pandit rânjind sfios. Tânărul cu părul brunet care studiază la colegiu nu posedă abilitatea de a  manipula obiectele dacă nu le poate privi. El s-a născut fără mâna stângă şi se bazează pe o proteză care să înlocuiască această parte a corpului său.

Mâna protezată a lui Pandit care este în fapt un instrument de agăţat robotizat, acoperit cu o mănuşă specială fabricată din silicon care imită foarte bine nuanţa de piele şi care acţionează prin intermediul unor electrozi ataşaţi la antebraţul său, care culeg semnale provenite de la nivelul muşchilor lui. Mâna îi permite lui Pandit să facă multe lucruri, dar manipularea obiectelor fragile nu este unul dintre ele. Odată ce mâna primeşte un semnal să se închidă, aceasta va continua să se închidă până în momentul în care Pandit decide să o împiedice să facă acest lucru. Acest lucru se datorează faptului că spre deosebire de degetele care aparţin unei mâini naturale, cele bionice nici nu simt presiunea plasticului din ceaşcă, nici nu recunosc atunci când aceasta este deformată sub forţa lor. "Orice lucru care poate fi zdrobit de obicei ajunge să fie zdrobit", afirmă el.

 

Într-un mic birou cu două camere aflat lângă o autostradă zgomotoasă în centrul orașului Los Angeles inginerul mecanic Jeremy Fishel îl ajută pe Pandit să-şi deşurubeze proteza și să îşi ataşeze o alta. Este o mână robotică de culoare negru lucios cu doar trei degete, fiecare dintre acestea etalând un vârf luminos, asemănător unei spume de mare de  culoare verde. Pandit repetă operaţiunea cu ajutorul  noului mecanism, ridică o ceaşcă fără să se uite. De data aceasta el prinde ceaşca cu îndemânare şi o ridică în aer nevătămată. El zâmbeşte larg. "Nici măcar nu a fost nevoie să mă gândesc la ceea ce făceam", spune Pandit. "E plăcut".

Dacă nu poţi simţi nimic, mâna ta este aproape inutilă. Asta este de fapt problema mâinilor protetice apărute în ultimul secol, absenţa simţului tactil.

Vârfurile degetelor verzi numite BioTacs sunt senzori care detectează în mod independent senzaţii multiple: presiune, temperatură şi vibraţii (A se vedea primul set de fotografii de mai jos). Folosind această informaţie, cea de-a doua  mâna protetică s-a oprit în momentul contactului cu ceaşca în loc să o sfarme, un reflex pe care mâinile protetice cunoscute în prezent nu îl au. De fapt, în prezent nu există mâini protetice disponibile în comerţ sau în studiile clinice care să imprime un simţ tactil.

Primul implant cohlear care a fost numit "urechea Bionică" a  fost lansat pe piaţă în 1972, restabilind auzul multor pacienţi cu leziuni ale celulelor senzoriale cu păr. Implanturile retiniene pentru afecţiuni degenerative oculare şi-au demonstrat succesul în cadrul studiilor clinice, restabilind vederea celor cu cecitate. Însă nu există implanturi sau sisteme care să restabilească simţul tactil. Şi acest lucru este o tragedie afirmă Gerald Loeb, co-inventator al BioTac.

"Oricine a avut vreodată degetele amorţite din cauza  frigului ştie că indiferent de cât de bine funcţionează muşchii, dacă nu simţi nimic, mâna ta este aproape inutilă", afirmă Loeb, inginer în domeniul biomedical la Universitatea din California de Sud, care a studiat protezele neuronale în ultimii 40 de ani şi a co-inventat implantul cohlear. "Aceasta este de fapt problema mâinilor protetice din ultimul secol, absenţa simţului tactil."

Datorită absenţei simţului tactil utilizatorii unei proteze de membru superior, aşa cum este cazul lui Pandit, trebuie să-şi controleze mâinile cu privirea pe toată durata utilizării acestora. "Utilizarea unei proteze de membru superior implică funcţia cognitivă extrem de mult", afirmă Paul Marasco, un neurofiziolog din domeniul senzorial la Advanced Platform Technology (APT) Center at the US Department of Veterans Affairs. "Înlocuieşti propriu-zis simţul vizual cu cel tactil."

Din păcate comunitatea cercetărilor din domeniul protezării şi-a îndreptat cele mai multe dintre eforturile sale asupra construirii unor braţe care să poată acţiona pe o distanţă mai mare de deplasare şi motoare mai puternice, nu asupra feedbackului tactil. E ca şi cum ai construi o maşină cu un motor dar fără roţi şi apoi să declari: "Să construim un motor mai bun!", meditează Loeb.

Dar ar putea exista un motiv bun pentru asta. Cercetătorii sunt de  acord cu faptul că simţul nostru tactil este cel mai complicat dintre simţuri. Acest lucru implică percepţia unor forme şi dimensiuni, texturi, vibraţii, temperaturi şi presiuni tridimensionale. Atingerea oferă un simţ al localizării membrelor noastre în spaţiu (un fenomen prost înţeles numit propriocepţie: a se vedea "Al şaselea simţ" de la finalul articolului) şi detectează o gamă foarte mare de forţe, de la perierea uşoară a blanei unei pisici cu vârful degetelor până la izbirea unei mingi de baseball în palma cuiva.

În prezent la îndemnul pacienţilor, un număr mic de cercetători urmăresc posibilitatea de a  integra simţul tactil protezelor. Pandit de exemplu speră să devină chirurg cardiac într-o zi. "Da", spune el cu un zâmbet pieziş, "am nevoie de simţ tactil pentru a putea realiza acest lucru."

 



SUPER SENZOR: Juniorul Vikram Pandit de la Universitatea din California de Sud  foloseşte o mână protetică dotată cu senzori BioTac pentru a ridica în mod delicat o alună spumoasă şi o sticlă de apă. Jeremy, creatorul BioTac testează senzorii Fishel. Senzorul unic  BioTac  care posedă "piele" confecţionată din silicon transparent expune miezul electronic asemănător unui os. Megan Scudellari



Cercetarea se află pe primul loc


Colonelul Geoffrey Ling, medic de terapie intensivă şi neurolog, a fost prima dată trimis  în Afganistan în 2003. "Nu a trecut nici o zi în care să nu fie necesar să îngrijesc un pacient care îşi pierduse o mână sau un picior", relatează Ling. Dar când s-a întors în Statele Unite Ling şi-a dat seama că opţiunile pentru protezele de membru superior pentru veteranii care se întorc din război sunt limitate. Protezele disponibile pentru membrul inferior sunt mult mai avansate decât cele pentru membrele superioare, pur şi simplu pentru că protezele pentru membrele superioare, braţele şi mâinile artificiale formează o bucățică mult mai mică a pieţei de proteze şi proiectarea lor este "incredibil de dificilă", afirmă Ling.

Unii pacienţi resping echipamentul datorită absenţei complete a simţului tactil

Protezele de membre superioare au reprezentat mult timp o provocare dificilă pentru lumea medicală şi cea a ingineriei. Membrele "reglate de către organism" de multe ori echipate cu un cârlig în loc de mână au fost inventate după Războiul Civil şi perfecţionate în timpul celor două războaie mondiale. De atunci până în prezent s-au produs foarte puţine modificări ale acestora. Un echipament şi un cablu în jurul umărului braţului intact le oferă pacienţilor posibilitatea de a controla mişcările protezei prin intermediul mişcărilor realizate de membru şi umărului intact. Dar conform sondajelor de opinie mai puţin de jumătate dintre pacienţii cu acest tip de proteză o poartă în mod regulat, deoarece este incomodă şi "urâtă ca păcatul", afirmă Ling. Dispozitivul oferă cu toate acestea un singur lucru pe care pacienţii îl plac, un feedback senzorial prin remorcarea şi tragerea cablului. Alţi pacienţi aleg o proteză mult mai avansată cu motor, un braţ acţionat electric aşa cum este cel al lui Pandit, însă unii dintre ei resping ulterior echipamentul din cauza absenţei complete a feedback-ului senzorial.

"Am avut o populaţie de pacienţi care au avut nevoie de îngrijire", afirmă Ling. "Făceam parte din  Departamentul Apărării [DA] şi avem o vorbă în armată: nimeni nu rămâne în urmă. Suntem serioşi în privinţa asta." După ce s-a întors din a doua misiune în 2006, de data aceasta din Irak,  Ling a iniţiat Programul Revoluţionar de Protezare  finanţat de Agenţia de Proiecte de Cercetare Avansată a Apărării  (Defense Advanced Research Projects - DARPA), o ramură a Pentagonului,  un "Proiect Manhattan" pentru inovarea protezării care a alocat pentru cercetarea protezelor pentru membrele superioare 153 milioane dolari de euro care urmează să fie folosiţi în următorii 6 ani.

La reuniunea de debut a programului din 2006, Gerald Loeb a stat în public. Acolo, pentru a putea prezenta software-ul de modelare pentru noi modele protetice, Loeb a rămas să asculte alţi prezentatori care îşi expuneau ideile legate de încorporarea simţului tactil (unul dintre obiectivele programului a fost de a crea degete protetice atât de sensibile încât utilizatorii să poată citi în limbaj Braille). După terminarea prezentărilor, Loeb avea în minte doar la un singur lucru: "Acest proiect este sortit eşecului." Echipele au propus dispozitive "care ţin de sensibilitate", dispozitive delicate cu vârfuri constituite din fire de aur, care nu erau nici practice, nici ieftine pentru a putea fi utilizate zi de zi.

După sesiune Loeb şi expertul în simţul tactil Roland Johansson de la Universitatea Umea din Suedia a mers la un bar. Pe măsură ce alcoolul a început să curgă aceştia au început să se compătimească în legătură cu implicarea într-o "prostie" de program, unul care risipea zeci de milioane de dolari pe un braţ sofisticat  care nu avea nici o şansă să dobândească un simţ tactil. Ei au început să se gândească la o idee proprie pentru a  concepe un deget bionic. Pe un şerveţel pe care l-au luat de pe o masă de la cocktail, au schiţat ceea ce avea să devină BioTac: un nucleu electronic asemănător unui os presărat cu electrozi şi înconjurat de un lichid conductor electric, toate aşezate într-un înveliş  din silicon ieftin şi elastic. Ei au propus ca pe măsură ce  degetul atinge un obiect "pielea"  să se deformeze, să preseze fluidul şi să modifice rezistența electrică percepută de electrozii de pe "os." Voila! Un senzor al tactilităţii.

Loeb a propus agenţiei DARPA idea sa, dar aceştia au refuzat să îi finanţeze propunerea. "Ei fuseseră cuceriţi deja de alţii", afirmă el. În final, Loeb alături de trei studenţi absolvenţi printre care şi Fishel au pus  bazele unei Companii SynTouch şi a obţinut un mic grant de afaceri acordat de National Institutes of  Health pentru a crea senzorul. De-a lungul următorilor câtorva ani ei au valorificat BioTac.



TOUCH THIS: Un touchpad cu motor dezvoltat de Kinea (dreapta jos) stimulează mecanic o suprafaţă corporală diferită (stânga jos) să "redea" senzaţiile culese de senzori tactili (stânga sus) aflaţi la vârful degetelor unei proteze de mână. Proteza modulară de membru superior (imaginea  din dreapta sus şi imaginea alăturată), dezvoltată de Laboratorul de Fizică Aplicată Johns Hopkins utilizează senzorii Kinea care se află la vârful degetelor. HDT; Laboratorul de Fizică Aplicată.



Un apel la arme

În timp ce Loeb a urmărit BioTac, Programul Revoluţionar de Protezare al agenţiei DARPA şi-a îndreptat atenţia asupra dezvoltării a două braţe protetice noi, ambele fiind menite de la bun început să includă senzori de atingere. Primul braţ numit "Luke" după Luke Skywalker a fost conceput pentru a încorpora un software nou şi tehnologii hardware. În acelaşi timp se dorea ca acesta să ajungă pe piaţă cât mai rapid posibil. Obiectivul a fost atins cu brio: braţul Luke realizat de  DEKA Research & Development Corporation din Manchester, New Hampshire a trecut de la conceptul de idee la produs în 5 ani şi aşteptă aprobărea din partea FDA. Proteza de Membru Modular (PMM), cel de-al doilea braţ care a fost  creat de Universitatea Johns Hopkins Applied Physics Laboratory este proiectată pentru a funcţiona cât mai mult posibil asemeni unui membru uman: poate fi controlată cu ajutorul  gândirii conştiente prin intermediul electrozilor care culeg impulsuri  provenite de la nivelul muşchilor asemănându-se cu  mâna mioelectrică a lui Pandit sau cu alte tehnici. Acest dispozitiv oferă posibilitatea de a îndoi cotul la 45 de grade şi este capabil să recunoască şi să manipuleze obiectele prin atingere.

Ce s-ar întâmpla dacă ar exista o modalitate de a restabili simţul tactil şi de a acorda unei persoane care a suferit o amputaţie şansa să îşi simtă mâna din nou?

În timp ce braţele Luke şi PMM se aflau în proces de construire, o companie mică de inginerie din Illinois numită Kinea Design, înfiinţată de trei profesori de la Universitatea Northwestern şi recent achiziţionată de către divizia de robotică a  producătorului militar HDT Global, a construit senzori tactili pentru fiecare braţ. Senzorul Luke, un dispozitiv mic şi greu de mărimea unui vârf de deget, detectează presiunea în două direcţii, precum şi atingerea şi textura. Senzorul MPL detectează presiunea în trei direcţii, textura şi temperatura. Acesta detectează, de asemenea, contactul în patru puncte distincte,  motivate de ideea de a fi capabil să citească în Braille (deşi nu este în măsură să facă acest lucru). În final braţul Luke nu a inclus senzorii aflaţi la vârful degetelor din modelul Kinea, potrivit celor relatate de DARPA, dar braţul protetic modular  care se află încă în curs de testare, încorporează senzorii proiectaţi pentru acesta.

BioTac  pe de altă parte imită un deget natural până la cele mai mici detalii. De exemplu  are o "unghie" albă fixată în partea de sus a sa. Pe parcursul construirii  senzorului echipa condusă de Loeb a realizat faptul că unghiile joacă un rol deosebit de important prin menţinerea pielii în loc: dacă glisaţi degetul dintr-o parte în alta pe o suprafaţă plană, de exemplu, vă veţi simţi pielea întinzându-se înspre şi dinspre unghii. Receptorii din jurul unghiilor recepţionează această mişcare. BioTac are, de asemenea, amprentele digitale care se dovedesc a fi cruciale pentru a detecta textura şi vibraţiile.

Datorită acestor componente dispozitivele BioTacs sunt de fapt mult mai sensibile decât degetele noastre. În luna iunie anul acesta Fishel şi Loeb au publicat rezultate care demonstrează că că  BioTac poate identifica în mod corect 117 texturi în 95% din cazuri cu o precizie mai mare decât omul. Senzorii sunt, de asemenea, în măsură să identifice cât de moale sau de dur este un material, similar modulului în care degetele noastre testează cât de coaptă este o piersică sau măsoară cantitatea de aer din cauciucul unei biciclete.

Restituirea simţului tactil

Senzorii au devenit în mod clar sofisticaţi, dar un sistem de protezare care să încorporeze un simţ tactil  necesită un al doilea component extrem de important: o modalitate de a transmite aceste informaţii senzoriale la sistemul nervos al utilizatorului. În prezent tehnica cea mai avansată care oferă un feedback tactil este care realizează acest lucru prin intermediul tactorilor (organe tactile). Tactorii sunt dispozitive electronice de mici dimensiuni, de mărime redusă, care împing sau stimulează mecanic o suprafaţă subsidiară a organismului de obicei umăr sau piept ca o modalitate de a "reda" senzaţiile culese de senzori. De exemplu Pandit poartă o manşetă neagră cu aer în jurul braţului său atunci când utilizează BioTacs. Se umflă şi îl strânge de braţ pentru a-i indica ce presiune utilizează atunci când ţine un obiect.

Manşeta de presiune cu aer este un tactor rudimentar. Pentru programul Revolutionizing Prosthetics (Revoluţionarea Protezării), Kinea a dezvoltat un tactor mic, motorizat prevăzut cu un vârf de plastic rotunjit care atinge pielea pentru a transmite patru senzaţii: lovitură uşoară pentru contact, un impuls pentru presiune, vibraţii pentru grosime şi mişcare dintr-o parte în alta pentru frecare.

Din păcate "posibilitatea de a poziţiona simţurile mecanice în alte zone ale  pielii este în esenţă limitată", afirmă Loeb, deoarece pielea păroasă care acoperă o mare parte din corpul nostru inclusiv zonele în care sunt plasaţi tactorii este mult mai puţin sensibilă decât pielea fără păr (numită piele glabră) de la nivelul mâinilor noastre şi a vârfurilor degetelor. Şi chiar dacă tactorii ar trebui să transmită senzaţii multiple, este dificil pentru aceştia să asigure mai mult de o senzaţie la un moment dat, cum ar fi să percepem în mod simultan presiunea şi textura sau impulsul provenit de la nivelul mai multor vârfuri de deget.

Este posibil ca tactorii să nu dea rezultate ideale, dar ele nu oferă unele beneficii. Manşeta cu aer Pandit de exemplu îi permite acestuia să dea mâna cu cineva fără a-l strânge periculos de tare.

Dar dacă ar exista o modalitate de a restabili simţul tactil în locul potrivit, de a oferi unei persoane care are un membru amputat şansa să îşi simtă mâna din nou? Pur întâmplător fantezia science fiction a devenit recent realitate.

Femeia bionic

Claudia Mitchell şi-a simţit pentru prima dată mâna din nou în cabina de duş. Pe măsură ce  apa fierbinte îi stropea pieptul deasupra inimii, ea a simţit ca şi cum o stropea pe mâna stângă, mâna pe care ea o pierduse în anul precedent într-un accident de motocicletă. Mitchell a sărit din cabina de duş şi a format numărul Institutului de Reabilitare din Chicago (IRC). "Ce credeţi?", a ţipat cu bucurie la telefon. "Funcţionează! Pot să-l simt!"




Pionierii TOUCH: Aceste două persoane care au suferit o amputaţie Claudia Mitchell şi Sullivan stau de vorbă în timpul unei conferințe de presă care a avut loc în septembrie 2006 la National Press Club. Ambii au suferit o intervenţie chirurgicală revoluţionară care le-a permis să îşi simtă mâinile amputate prin transplantarea unor  nervi senzoriali la nivelul regiunii toracice superioare.
© Matei Cavanaugh / EPA / Corbis



Mitchell, un fost puşcaş marin în vârstă de 31 de ani a fost primul care a recurs la reinervare senzorială, o procedură chirurgicală revoluţionară prin intermediul căreia se transplantează nervi senzitivi prelevaţi de la nivelul umărului unui braţ amputat la nivelul muşchilor pectorali şi ai pielii pieptului. Procedeul care a fost creat de clinicianul şi inginerul biomedical Todd Kuiken, director al RIC’s Center for Bionic Medicine a fost efectuat pentru prima dată ca un procedeu de  reinervare  ţintită a muşchilor (RŢM) şi a fost menit exclusiv să restabilească controlului motor.

Atunci când indivizii îşi pierd un membru, indiferent de cât de sus se află nivelul de amputare, capetele nervilor care asigurau inervaţia membrului respectiv se menţin. Dar nervii singuri sunt prea neînsemnaţi pentru a putea transmite semnalele electrice la electrozii de la nivelul protezei. Prin urmare Kuiken a conceput o intervenţie chirurgicală pentru a redirecţiona aceşti nervi spre muşchii pieptului care se contractează şi amplifică semnalele nervoase.

Însă prima dată când Kuiken a efectuat această  intervenţie chirurgicală la o persoană care se numea Jesse Sullivan s-a întâmplat ceva ciudat. La şase luni de la operaţie când Sullivan se pregătea să facă exerciţii pentru dezvoltarea activităţii  sale motorii, un asistent i-a curăţat  pieptul cu alcool. Sullivan a spus că simte o senzaţie de rece, dar nu pe pieptul său. Senzaţia de rece  a fost resimţită la nivelul mâinii sale amputate. "Acesta a fost momentul unei mari revelaţii", spune Kuiken. "Ne-am propus să facem acest lucru intenţionat data viitoare."

Mitchell a suferit o intervenţie chirurgicală în 2005 de data aceasta pentru a-şi restabili în mod deliberat simţul tactil. Echipa de chirurgi a incizat un nerv senzorial care să conducă la o regiune a pieptului lui Mitchell de dimensiunea unei mingi de softball şi în locul ei a ataşat capătul de nerv senzorial prelevat de la nivelul umărului stâng care asigura inervaţia mânii sale stângi. "Mi-au refăcut inervaţia pentru a permite ca acea parte din pielea mea să acţioneze pe post de senzori pentru mâna mea", spune Mitchell. "Când pui degetul pe un anumit loc pe pieptul meu, se simte ca şi cum ar fi degetul meu  mic sau indicele meu, sau palma mea, sau cotul meu."

Următorul pas a fost să adauge un senzor şi un tactor, astfel încât ea să-şi poată simţi mâna protezată. Mitchell a folosit un braţ protezat construit la RIC cu tactori dezvoltaţi de Kinea poziţionaţi deasupra regiunii reinervate a pieptului ei. Când a atins pentru prima dată o suprafaţă crestată cu un deget protetic Mitchell a simţit vibraţia corespunzătoare prin intermediul tactorului în degetul ei. "Să pot să simt din nou a fost un lucru extraordinar", afirmă ea. "Nu vă daţi seama cât de important este să ai răspuns în locul potrivit până când nu sunteţi puşi în situaţia aceasta."

Reinervarea senzorială a fost efectuată pe cinci pacienţi pentru că nu există un sistem de tactori disponibil în comerţ care să beneficieze de pe urma acestei proceduri, afirmă Kuiken. În prezent zona reinervată a pieptului se poate limita doar la acest spaţiu ocupat în primul rând de electrozii controlaţi de motor, deci se recurge destul de puţin la tactori ale căror motoare de altfel pot interfera cu antenele electrozilor. "Putem face acest lucru în laborator şi este extraordinar", afirmă Kuiken, "dar nu este încă utilă."

Mitchell aşteaptă cu nerăbdare ziua în care reinervarea senzorială va fi utilă şi până atunci ea continuă să viziteze laboratorul pentru a contribui la promovarea tehnologiei. "Nu vreau să mai existe o altă femeie de 23 de ani care să-şi piardă braţul, deşi va fi", afirmă Mitchell. "Şi când acest lucru se va întâmpla, vreau ca ea să aibă parte de o experiență mai plăcută decât am avut eu."

Controlul minţii

Reinervarea senzorială restabileşte simţul tactil la locul potrivit, dar simpla apăsare şi zumzetul unui tactor transmite numai o fracţiune din informaţiile culese de senzori cum ar fi BioTac. În prezent un număr tot mai mare de cercetători consideră că cea mai bună modalitate de a oferi feedbackul tactil utilizatorilor de proteze nu se realizează prin intermediul tactorilor şi senzorilor, ci prin urmarea unui traseu de cyborg şi  introducerea semnalelor electrice direct la nivelul sistemului nervos.




Braţul generaţiei următoare: Braţul DEKA care aşteaptă aprobare din partea FDA are senzori cuplaţi la nivelul articulaţiei indexului şi degetului mare care înregistrează măsurători de forţă, dar nu include senzori DARPA la vârful degetului.



În septembrie 2011 Tim Hemmes care a rămas tetraplegic ca urmare a unui accident de motocicletă care i-a afectat măduva spinării şi-a întins tandru mâna pentru a o atinge tandru pe prietena sa. "Abia am aşteptat să ajung la cineva şi să îl ating pentru prima dată în ultimii şapte ani", a declarat Hemmes într-un video înregistrat la scurt timp după eveniment. Hemmes a realizat acest lucru prin intermediul unei reţele de electrozi care are aproximativ mărimea unui timbru poştal mare şi care este implantată cu ajutorul unei intervenţii chirurgicale sub craniu. Aceasta este localizată pe suprafaţa creierului său. Reţeaua detectează semnalele electrice provenite de la nivelul creierului şi utilizează aceste semnale pentru a mişca braţul robotic.

A fost un progres major realizat pentru protezele controlate de creier utilizate în cazul persoanelor la care protezele propulsate de organism şi cele mioelectrice nu funcţionează, dar deşi Hemmes îşi putea mişca braţul el nu a reuşit să simtă mâna prietenei lui. Mâna MPL include senzori tactili pentru feedback. Cu toate acestea implantul neural nu este încă în măsură să transporte aceste semnale de la senzori de la nivelul creier prin utilizarea designului actual. Bioinginerii de la Johns Hopkins speră să adauge implantului capacitatea de feedback pentru a putea fi testată în cadrul studiilor clinice începând cu anul viitor, afirmă Michael McLoughlin, manager de program pentru proiectul protezare de la Hopkins.  Mai sunt însă o mulţime de lucruri de dezvăluit legate de modul în care informaţia este organizată la nivelul cortexului şi cum poate fi furnizată în siguranţă.

Primatele non-umane oferă anumite detalii. În luna mai a acestui an neurologul Miguel Nicolelis şi colegii săi de la Universitatea Duke din Durham, Carolina de Nord, au anunţat că maimuţele care au un implant cerebral ar putea utiliza atenţia pentru a mişca un braţ virtual şi pentru  a distinge compoziţiile. Maimuţele au direcţionat un braţ virtual pentru a se deplasa de-a lungul unor obiecte identice, fiecare dintre aceste materiale având o compoziţie diferită. Fiecare material a fost transmis creierului sub forma unui model unic de semnale electrice şi astfel maimuţele au fost capabile să identifice un material special pentru a primi o recompensă. "Cortexul a învăţat o nouă limbă electrică asociată cu compoziţia," afirmă Nicolelis.

O interfaţă creier-calculator  care restabileşte simţul tactil încă pare un mister, dar eforturile de a o dezvolta sunt mult mai avansate decât încercările de a intercepta semnalele provenite de la nivelul nervilor periferici, modul în care funcţionează implanturile cohleare şi retiniene. Cercetătorii au încercat fără a avea succes să stimuleze nervii periferici,  nervii din afara creierului şi cei ai măduvei spinării, cum ar fi cei care parcurg traseul aflat de-a lungul braţului şi mâinii de peste 40 de ani.

"Selectarea nervilor şi cunoaşterea informaţiilor pe care aceşti nervi le transmit este încă o artă neagră", afirmă Edward J. Colgate, cofondator al Kinea şi un expert în domeniul sensibilităţii tactile de la Universitatea Northwestern. Oamenii de ştiință nu înţeleg care tip de informaţii, presiune, vibraţii, temperatura, etc. se deplasează  prin care nerv sau modul în care aceste semnale sunt procesate la nivelul creierului. Cele mai multe încercări de a stimula nervii senzitivi periferici au produs o senzaţie generală zumzet sau de înţepătură. "Aceasta poate fi mai intensă sau mai puţin intensă, dar nici una dintre acestea nu este percepută ca o atingere normală", afirmă Loeb.

O senzaţie a sinelui

Pe lângă îmbunătăţirea controlului motor există un motiv poate mai important de a imprima un simţ tactil protezei. Într-un studiu publicat anul trecut în "Brain", Marasco, Colgate şi Kuiken au descoperit faptul că pacienţii cu reinervare senzorială au experimentat un sentiment de stăpânire asupra membrului lor artificial atunci când au utilizat senzori şi tactori ai vârfului degetelor, având senzaţia că membrul este chiar al lor.

"În prezent cei cu amputaţie îşi fixează membrul şi este un instrument insensibil", relatează Marasco. "Ei îl folosesc pentru a-şi face treburile după care îl dau jos. Dar dacă l-am monta astfel încât acestea să posede simţ tactil şi dacă acesta ar fi încorporat în mod corespunzător, atunci persoanele cu amputaţie ar putea fi în măsură să-şi păstreze simţul lor de integritate". La laboratoarele APT Center din Cleveland, Ohio, Marasco se află în curs de proiectare un sistem de feedback-ul senzorial pe care pacienţii aflaţi în cazul lui Mitchell să îl poată lua acasă şi să îl folosească alături de proteza lor timp de un an, mai degrabă decât periodic în laborator. El speră că experimentul va putea dezvălui dacă pe termen lung feedback-ul tactil va ajuta pacienţii să utilizeze  un membru mai eficient şi cu un sentiment mai pronunţat că îl stăpânesc.

În birourile SynTouch lui din Los Angeles Pandit utilizează  o mână protetică echipată cu BioTacs pentru a stoarce o sticlă de apă în timp ce un tehnician urmăreşte presiunea pe un ecran de calculator. Compania trebuie încă să găsească un partener pentru a încorpora senzorii la nivelul unei proteze rentabile pentru mână.

Loeb care stătea în apropiere a aruncat o privire la tânăr. "Ne aflăm în acea situaţie în care există o muţime de posibilităţi, dintre care unele am crezut că le vom rezolva în urmă cu 30 de ani", afirmă el. "Trebuie să mă gândesc că odată cu şirul de bani, tehnologii şi cunoştințe noi legate de această problemă se vor întâmpla o mulţime de lucruri bune."

Dintr-o dată apa ţâşneşte peste tot pe podea şi Pandit râde. El îşi întinde mâna protezată, prinde sticla de apă şi o ia de la început.

Al şaselea simţ

Propriocepţia reprezintă cunoaşterea poziţiei şi orientării corpului şi a membrelor în spaţiu şi permite, de exemplu, să ne atingem nasul cu ochii închişi. Deşi de obicei denumită un al şaselea simţ aceasta este de fapt un aspect al simţului tactil. În domeniul protezării aceasta este numit Sfântul Graal. "Dacă i-aţi putea oferi unei persoane care a suferit  o amputaţie  posibilitatea de a localiza poziţia unui membru în  spaţiu fără a fi nevoie să îl privească acest lucru ar fi o realizare imensă", afirmă Paul Marasco, un neurofiziolog în domeniul  senzorial la Advanced Platform Technology Center at the US Department of Veterans Affairs.

Din păcate propriocepţia este prost înţeleasă: nimeni nu ştie exact cum se mapează în creier sau care receptori sunt implicaţi. Noi ştim că propriocepţia este produsă de o cantitate mare de informaţii integrate la nivelul cortexulului începând de la senzaţia de piele care se întinde pe o articulaţie până la flexia unui biceps pentru a trage de greutate. "Este un lucru extraordinar de greu de recâştigat", afirmă Julio Santos-Munné, director de inginerie la Kinea. "Deşi oamenii sunt foarte interesaţi în ceea ce priveşte aceste aspecte  şi există unele proiecte de cercetare care se află în curs de desfăşurare, tot ceea ce am realizat este departe de a fi în măsură să ofere un simţ proprioceptiv semnificativ."

Allison Okamura, un fost inginer mecanic care a lucrat anterior  la Johns Hopkins şi se află în prezent la Universitatea Stanford a obţinut finanţare din partea DARPA pentru a studia propriocepţia în protezare alături de echipa Hopkins Revolutionizing Prosthetics. În cadrul unui experiment subiecţii au purtat o curea în jurul taliei prevăzută cu elemente vibratoare şi au fost instruiţi să asocieze configuraţii diferite ale unei proteze pentru mână cum ar fi deschisă, închisă sau care indică cu vibraţii diferite. Subiecţii au învăţat să facă deosebirea între modelele de vibraţii, afirmă Okamura, dar uneori au avut  nevoie de până la 20 de secunde să recunoască o configuraţie dintr- un model. "În mod cert aceasta nu este o metodă practică pentru feedback", afirmă ea, "dar este bine să ştiţi că puteţi oferi organismului un fel de feedback artificial pentru a oferi informaţii complexe despre un membru sau o configuraţie a unei mâini."

 



Traducere după missing-touch, de Ecaterina Pavel, cu acordul editorului.