«Когда я касаюсь культи рукой, я чувствую покалывание в моей отсутствующей руке, моей фантомной руке. Но ощущение изменения температуры — это совсем другое, что-то важное… что-то прекрасное», — говорит Франческа Росси.
Росси — инвалид из Болоньи, Италия. Недавно она участвовала в исследовании, чтобы проверить влияние температурной обратной связи непосредственно на кожу на оставшейся части руки. Она одна из 17 пациентов, которые почувствовали изменение температуры своего фантома, отсутствующей руки благодаря новой технологии EPFL. Что еще более важно, она сообщает о восстановлении связи со своей пропавшей рукой.
«Температурная обратная связь — это приятное ощущение , потому что вы чувствуете конечность, фантомную конечность, полностью. Она больше не кажется фантомной, потому что ваша конечность вернулась», — продолжает Росси.
Исследователи Сильвестро Микера и Солайман Шокур стремились внедрить новую сенсорную обратную связь в протезы конечностей, чтобы обеспечить более реалистичное прикосновение к людям с ампутированными конечностями, и их последнее исследование сосредоточено на температуре. Они наткнулись на открытие об обратной связи по температуре, которое намного превзошло их ожидания.
Если вы поместите что-то горячее или холодное на предплечье неповрежденного человека, этот человек почувствует температуру предмета локально, непосредственно на своем предплечье. Но у людей с ампутированными конечностями это температурное ощущение на оставшейся руке может ощущаться в фантоме отсутствующей руки.
Обеспечивая температурную обратную связь неинвазивно, с помощью тепловых электродов (также известных как термоды), размещенных на коже на оставшейся руке, люди с ампутированными конечностями, такие как Росси, сообщают о чувстве температуры в своей фантомной конечности. Они могут чувствовать, горячий объект или холодный, и могут сказать, касаются ли они меди, пластика или стекла. В сотрудничестве между EPFL, Школой перспективных исследований Святой Анны (SSSA) и Centro Protesi Innail технология была успешно протестирована на 17 из 27 пациентов. Результаты опубликованы в Science.
«Особое значение имеет то, что фантомные тепловые ощущения воспринимаются пациентом как аналогичные тепловым ощущениям, испытываемым их неповрежденной рукой», — объясняет Шокур, старший научный сотрудник-нейроинженер EPFL, один из руководителей исследования.
На пути к реалистичному бионическому прикосновению
Проекция температурных ощущений на фантомную конечность привела к разработке новой бионической технологии, которая снабжает протезы неинвазивной температурной обратной связью, которая позволяет людям с ампутированными конечностями различать, к чему они прикасаются.
«Температурная обратная связь необходима для передачи информации, которая выходит за рамки прикосновения, она приводит к чувству привязанности. Мы социальные существа, и теплота является важной частью этого», — говорит Микера, председатель Фонда Бертарелли по трансляционной нейроинженерии, профессор EPFL и SSSA, который также соруководил исследованием. «Впервые, после многих лет исследований в моей лаборатории, показывающих, что информация о прикосновении и положении может быть успешно передана, мы предусмотрели возможность восстановления всех богатых ощущений, которые может обеспечить человеческая рука».
Температурная обратная связь, от самочувствия до протезирования
Несколько лет назад Микера и Шокур узнали о системе, которая может обеспечивать температурную обратную связь через кожу здоровых людей, также разработанную в EPFL и дочернюю компанию Metaphysiks.
Компания Metaphysiks разрабатывает нейротактильную технологию MetaTouch, которая соединяет тело с цифровыми мирами. MetaTouch сочетает сенсорную и температурную обратную связь, чтобы дополнить физические продукты для хорошего самочувствия.
«Этот прорыв подчеркивает силу тактильных ощущений в улучшении состояния здоровья и повышении качества жизни людей с ограниченными возможностями», — говорит Саймон Галло, соучредитель и руководитель отдела технологий в Metaphysiks.
Нейроинженеры EPFL позаимствовали MetaTouch, который обеспечивает тепловую обратную связь непосредственно с кожей пользователя. С помощью этого устройства они открыли ощущение теплового фантома и впоследствии протестировали его на 27 людях с ампутированными конечностями.
Прототип Minitouch и тесты
Для исследования Шокур и Микера разработали MiniTouch, устройство, обеспечивающее тепловую обратную связь и специально созданное для интеграции в носимые устройства, такие как протезы. MiniTouch состоит из тонкого носимого датчика, который можно надеть на протез пальца человека с ампутированной конечностью. Датчик пальца обнаруживает тепловую информацию о предмете, к которому прикасаются, а точнее, теплопроводность объекта.
Если объект металлический, он, естественно, будет проводить больше тепла или холода, чем, например, пластиковый. Термодатчик, соприкасающийся с кожей на оставшейся части руки человека с ампутированной конечностью, нагревается или охлаждается, передавая температурный профиль объекта, к которому прикасается датчик пальца.
«Когда мы представили возможность вернуть ощущение температуры на фантомную конечность или возможность почувствовать контакт с различными материалами, мы получили много положительных отзывов. И в итоге мы смогли набрать более 25 добровольцев менее чем за два месяца. лет», — говорит Федерико Моросато, который отвечал за организацию клинического аспекта испытаний в Centro Protesi Innail.
Ученые обнаружили, что небольшие участки кожи на оставшейся руке проецируются на определенные части фантомной руки, такие как большой палец или кончик указательного пальца. Как и ожидалось, они обнаружили, что сопоставление температурных ощущений между остаточной рукой и всем проецируемым фантомом уникально для каждого пациента.
Бионические протезы для восстановления человеческого тела
Почти десять лет назад Микера и его коллеги в режиме реального времени обеспечивали сенсорную обратную связь о схватываемых объектах. Они продолжали улучшать сенсорное разрешение, обеспечивая надежную обратную связь о текстуре объекта и информации о его положении. Более того, они обнаружили, что люди с ампутированными конечностями начинают воплощать свои протезы рук, если им дается сенсорная обратная связь непосредственно в их неповрежденную нервную систему.
Дополнительное ощущение температурной обратной связи — еще один шаг к созданию бионических протезов для восстановления человеческого тела. Точная настройка температурных ощущений и их интеграция в носимое устройство, которое можно сопоставить с каждым пациентом, являются частью следующих шагов.