Nowatorskie systemy elektrod ujawniają mechanizmy ruchu człowieka
Ruch ramieniem i dłonią, aby chwycić przedmiot – wydawałoby się taki prosty – jest wynikiem złożonego ciągu zdarzeń zachodzących w naszym mózgu, rdzeniu kręgowym, nerwach i mięśniach. Tak zwane dyskretne zdarzenia to między innymi wymiany jonowe przez błonę, mechanizmy elektrochemiczne oraz aktywne pompowanie jonów poprzez wydatek energetyczny, co łącznie składa się na sekwencje potencjałów czynnościowych – język, w jakim nasz mózg koduje świat zewnętrzny. Rejestrowanie i interpretowanie „kodu neuronalnego” ruchów było głównym przedmiotem zainteresowania partnerów projektu DEMOVE (Decoding the Neural Code of Human Movements for a New Generation of Man-Machine Interfaces). Wcześniejsze przedsięwzięcia naukowe rozbijały się o brak możliwości wykrycia i przetwarzania aktywności motoneuronów i kodu neuronalnego u osób bez uszczerbku. Tymczasem prof. Dario Farina wraz z zespołem z Uniwersytetu w Getyndze opracował nowatorskie systemy elektrod, aby tę przeszkodę pokonać. Nowe systemy umożliwiają rejestrowanie elektrofizjologiczne in vivo aktywności nerwów i mięśni człowieka oraz zapewniają nowe metody i modele obliczeniowe do ekstrakcji istotnych pod względem funkcjonalnym informacji o ruchu człowieka. Są pomocne w udzielaniu odpowiedzi na otwarte pytania dotyczące ruchu przez pryzmat neuronauk i budowaniu pomostu między neuronalnym a funkcjonalnym aspektem ruchu, dając także nadzieję na nowe formy interakcji człowiek-maszyna. W jaki sposób można wyjaśnić obecny brak rozwiązań w zakresie monitorowania aktywności neuronalnej związanej z ruchem u osób bez uszczerbku? Dostęp do neuronów ośrodkowego układu nerwowego wymaga umieszczania elektrod w organizmie człowieka i przeniknięcia do struktur neuronalnych (np. kory ruchowej), co wiąże się z ryzykiem uszkodzenia. Procedury chirurgiczne w tego typu interwencjach są złożone i ryzykowne. Co więcej nieinwazyjnym technikom (np. MRI, MEG czy EEG) brakuje wymaganej selektywności w zakresie dekodowania złożonej aktywności neuronalnej w czasie wykonywania ruchów. W jaki sposób systemy elektrod umożliwiają wam przezwyciężenie tych problemów? Rejestrujemy aktywność mięśni za pomocą tkanki mięśniowej, która pełni rolę biologicznego wzmacniacza aktywności nerwowej. Kiedy nerwy łączą się z mięśniami, ich aktywność neuronalna zostaje zachowana i może być dekodowana na podstawie aktywności elektrycznej danego mięśnia. To oznacza, że mimo iż rejestracja odbywa się na skraju systemu (mięśnie), jesteśmy w stanie określić moc wyjściową zespołu obwodów rdzenia kręgowego, których aktywność determinuje ruch. Co może nam pan powiedzieć na temat dotychczasowego dorobku projektu? Prace nad projektem zaplanowano do końca czerwca tego roku. We wszystkich analizowanych obszarach uzyskaliśmy znakomite wyniki. Opracowane systemy rejestrujące umożliwiły nam na przykład ponowną, krytyczną analizę hipotezy przyjętej około 80 lat temu na temat kontroli motoneuronów w czasie ruchu. Nowe systemy rejestrujące zapewniają możliwość dekodowania aktywności dużych populacji motoneuronów i oddzielania informacji płynących z ośrodkowego układu nerwowego od mechanizmów obwodowych. Wyniki posunęły także naprzód neuromechanikę, ujawniając siły mechaniczne wytwarzane przez struktury neuronalne, a także wiedzę w zakresie interfejsów człowiek-maszyna, dostarczając intuicyjnych i solidnych metod sterowania protezami mioelektrycznymi. Jakie główne trudności napotkaliście i jak je rozwiązaliście? To przedsięwzięcie wysokiego ryzyka i wysokiego zysku, zatem przyszło nam się mierzyć z wieloma trudnościami. Niemniej uporaliśmy się ze wszystkimi w zespołowym duchu i żadna z nich nie przekształciła się w poważną przeszkodę. Pośród przykładów takich trudności można wymienić potrzebę rejestrowania aktywności dużej liczby mięśni jednocześnie, równoczesne dekodowanie dużych populacji motoneuronów in vivo oraz zastosowanie tych technik do sterowania protezami mioelektrycznymi. Najważniejsze potencjalne osiągnięcie waszych badań dotyczy interakcji człowiek-maszyna. Proszę podać przykłady. W ramach projektu zaproponowaliśmy – dowodząc ich wykonalności – protezy kończyn górnych w pełni sterowane przez aktywność dziesiątek motoneuronów, których zachowanie jest dekodowane na podstawie rejestracji mięśni, również dzięki zaawansowanym procedurom chirurgicznym. Do zamknięcia projektu pozostało zaledwie kila miesięcy, co jeszcze chcielibyście osiągnąć w czasie prac nad nim i po jego zakończeniu? Skupimy się przede wszystkim na ekstremalnie precyzyjnym i zasadnym klinicznie sterowaniu motoneuronalnym interfejsem człowiek-maszyna. DEMOVE Dofinansowanie z FP7-IDEAS-ERC Strona projektu w serwisie CORDIS
Kraje
Niemcy
