Wie durch künstliche Berührung Prothesenträger fühlen können

Von Kathryne Nave, Mitwirkende, Dell Technologies

Nur wenige gesellschaftliche Routinen sind so angespannt wie der Händedruck. Dieses feste, aber freundliche Gleichgewicht der Kräfte zu finden, ist in den besten Zeiten schwierig genug. Für den Prothesenträger kann es sich wie ein Stich ins Blaue anfühlen.

„Wir schätzen es oft nicht, aber die menschliche Hand ist ein bemerkenswertes Sinnesorgan“, sagt Robert Gaunt, außerordentlicher Professor für physikalische Medizin und Rehabilitation an der Universität von Pittsburgh. „Ohne dies wird es unglaublich schwierig, Objekte aufzunehmen und zu manipulieren. Oder denken Sie an das Tippen auf einer Tastatur, die meisten von uns verlassen sich auf den Tastsinn, anstatt tatsächlich auf die Tasten zu schauen.”

Verwendung einer Elektrodenplatte, die direkt und dauerhaft in das Gehirn einer Person implantiert werden kann, das so genannte Utah-Elektroden-Array [UEA]Gaunt arbeitet daran, diesen Tastsinn für Benutzer von Prothesen wiederherzustellen.

„Ein Utah Array sieht aus wie ein winziges Nagelbett mit einem Durchmesser von etwa vier Millimetern, wobei jeder Nagel nur etwa einen Millimeter lang und ungefähr so ​​breit wie ein menschliches Haar ist“, erklärt Gaunt. “Dies wird mit einem kleinen druckluftbetriebenen Hammer in das Gehirn gestanzt, was uns den Zugang zu Neuronen von etwa einem Millimeter Tiefe ermöglicht – wo sich einige der wichtigsten Neuronen befinden, auf die wir zugreifen möchten.”

Gedankengesteuerte Prothesen

Das Utah Electrode Array (UEA) ist keine neue Technologie. Es wurde 1992 von Richard A. Normann, Professor für Biotechnik an der Universität von Utah, entwickelt und war das erste Mikroelektroden-Array, das die FDA-Zulassung für die Implantation beim Menschen erhielt, und Gaunt schätzt, dass es seitdem weltweit etwa 30 Menschen langfristig implantiert wurde.

Der Roboterarm der University of Pittsburgh wird über das Utah Electrode Array gesteuert. Foto mit freundlicher Genehmigung von UPMC/Pitt Health Sciences.

In den meisten dieser Fälle wurde das Array verwendet, um neuronale Aktivität zu erkennen, um sie in motorische Steuersignale zu übersetzen, die es dem Benutzer ermöglichen, die Bewegungen eines Roboterarms allein mit seinen Gedanken zu steuern.

„Mit diesen implantierten Elektroden können wir die elektrischen Impulse einzelner Neuronen abhören“, sagt Gaunt. „Es ist wie eine Reihe von schnellen Stößen oder knallenden Geräuschen, und wenn Sie eine Person bitten, sich vorzustellen, wie sie ihre Hand nach rechts bewegt, beginnen einige dieser Neuronen viel schneller zu feuern als andere. Schließlich können Sie ein Modell aufbauen, um diese unterschiedlichen Aktivitätsmuster zu entschlüsseln und sie in die Bewegung eines Roboters oder eines Computercursors auf dem Bildschirm umzuwandeln.”

Im Gegensatz zu kommerziell erhältlichen myoelektrischen Prothesen, die darauf angewiesen sind, die Bewegung der Restmuskeln einer Person zu registrieren, liest die UEA direkt vom Gehirn und erleichtert eine feinkörnigere motorische Kontrolle, selbst für diejenigen mit vollständiger Schädigung des oberen Rückenmarks.

Im Jahr 2012 zeigte Gaunts Kollegin Jennifer Collinger, außerordentliche Professorin und Forschungsleiterin an der University of Pittsburgh, dass eine Person, der ein UEA in ihren motorischen Kortex implantiert wurde, mit nur wenigen Wochen Training eine Armprothese steuern konnte und eine Erfolgsquote von erreichte 91,6 % beim Greifen nach Zielen.

Man muss es fühlen, um es wahrzunehmen

Trotz der beeindruckenden Ergebnisse bei der Dekodierung von Bewegungsabsichten erkannte Gaunt, dass der Vorteil dieser feinkörnigeren Kontrolle durch das Fehlen von sensorischem Feedback begrenzt ist, auf das Menschen normalerweise angewiesen sind, um zu erfahren, wie sie sich bewegen möchten. Er weist darauf hin, dass sensorisches Feedback so wichtig ist, dass in einigen seltenen Fällen eine Person allein durch eine Schädigung ihres Tastsinns gelähmt werden kann, selbst wenn die Teile ihres Gehirns, die für die Steuerung der Bewegung verantwortlich sind, voll funktionsfähig sind.

Also beschlossen Gaunt und Collinger im Jahr 2015, UEAs in den Teil des somatosensorischen Kortex zu implantieren, der manuelle Berührungen verarbeitet, und zu versuchen, elektrische Signale in die entgegengesetzte Richtung zu senden – die Neuronen zu stimulieren, anstatt von ihnen aufzunehmen.

Wir wissen, dass die sensorischen Regionen des Gehirns tatsächlich in diesen ziemlich klaren Karten angeordnet sind, also wird es einen Punkt geben, der der Zeigefingerspitze entspricht, und der wird direkt neben einem anderen Punkt für Ihre Mittelfingerspitze sein, und so weiter .

—Robert Gaunt, außerordentlicher Professor für Physikalische Medizin und Rehabilitation, University of Pittsburgh

„Wir wählen im Wesentlichen zufällig eine Elektrode aus, senden einen Stromstoß, um sie zu aktivieren, und fragen dann die Leute, ob sie etwas fühlen und wo sie es fühlen“, erklärt Gaunt. „Wir wissen, dass die sensorischen Regionen des Gehirns tatsächlich in diesen ziemlich klaren Karten angeordnet sind, also wird es einen Punkt geben, der der Zeigefingerspitze entspricht, und der wird direkt neben einem anderen Punkt für Ihre Mittelfingerspitze sein, und so er.”

Gaunt und Collinger haben bisher mit drei Teilnehmern gearbeitet, von denen einer, Nathan Copeland, 2004 im Alter von 18 Jahren durch einen Autounfall in allen vier Gliedmaßen gelähmt war.

Robert Gaunt mit dem Patienten Nathan Copeland. Foto mit freundlicher Genehmigung von UPMC/Pitt Health Sciences.

Als die beiden Arrays in Copelands somatosensorischem Kortex mit Drucksensoren an einem Roboterarm verbunden wurden, konnte er mit einer Genauigkeitsrate von 84 % unterscheiden, welcher der Finger des Arms berührt wurde. Im Mai 2021 zeigte Gaunts Team, dass dieses sensorische Feedback es Copeland ermöglichen könnte, ein Objekt aufzunehmen und es in etwa der Hälfte der Zeit an sein Ziel zu bringen, verglichen mit der alleinigen Verwendung des Sehens.

„Wenn ich ein Objekt betrachte, kann ich sehen, dass die Hand es berührt, aber ich kann nicht sagen, ob das ein fester Griff oder nur eine leichte Berührung ist“, sagt Copeland. „Wenn ich also versuchte, das Objekt hochzuheben, fiel es mir manchmal direkt aus der Hand. Dieses zusätzliche taktile Feedback lässt mich wissen, ob ich das Objekt gut im Griff habe, und es lässt mich sofort damit fortfahren, es aufzuheben und herumzubewegen, ohne die zusätzliche Zeit damit verbringen zu müssen, zu testen, ob es herausfallen wird der Hand oder nicht.”

Über das Labor hinaus

Während der Tastsinn, der durch diese Gehirn-Maschine-Schnittstelle bereitgestellt wird, erhebliche praktische Verbesserungen für die Fähigkeit einer Person bieten kann, ein Glied zu kontrollieren, fühlt er sich immer noch nicht ganz wie eine normale Berührung an.

„Die Empfindungen sind ziemlich einfach und intuitiv, aber normalerweise fühlt es sich wie Druck, Kribbeln oder Klopfen an, eher an der Basis meiner Finger“, beschreibt Copeland. „Ich muss es auf einer Skala von natürlich bis völlig unnatürlich markieren, und fast jedes Mal würde ich sagen, dass es genau in der Mitte dieser Skala liegt – aber das hindert die Informationen nicht daran, nützlich zu sein.“

Gaunts Team arbeitet derzeit daran, den eigenen taktilen Code des Gehirns besser nachzuahmen, um Muster elektrischer Aktivität zu erzeugen, die sich eher wie eine gewöhnliche Berührung anfühlen, und Copeland beschreibt, wie ihn eines Tages die verwendeten Einstellungen dazu brachten, innezuhalten und auf seine eigene Hand zu schauen, weil sich das Gefühl anfühlte also genau wie jemand, der an seinem eigenen Zeigefinger herumstochert.

Die Motivation, die Copeland dazu veranlasste, sich für eine elektive Gehirnoperation anzumelden und sich zu verpflichten, auf absehbare Zeit drei Tage pro Woche im Labor zu verbringen, besteht jedoch nicht nur darin, diese Technologie zu verbessern, sondern sie den Menschen zur Verfügung zu stellen, die sie benötigen.

Wenn Sie diese Art von katastrophalen Verletzungen haben, gibt es eine Zeit der Verzweiflung, in der Sie das Gefühl haben, dass sich Ihr Leben verändert hat und Sie nicht in der Lage sein werden, einen Beitrag zur Gesellschaft zu leisten. Also wollte ich nur helfen, die Wissenschaft voranzutreiben.

– Nathan Copeland, Patient

„Die Anzahl der Menschen, die die Kriterien für diese Studien erfüllen und in der richtigen Gegend leben, ist so gering, dass ich irgendwie das Gefühl hatte, wenn ich helfen könnte, wie könnte ich nicht“, sagt Copeland. „Wenn Sie diese Art von katastrophalen Verletzungen haben, gibt es eine Zeit der Verzweiflung, in der Sie das Gefühl haben, dass sich Ihr Leben verändert hat und Sie nicht in der Lage sein werden, einen Beitrag zur Gesellschaft zu leisten. Also wollte ich nur helfen, die Wissenschaft voranzutreiben, damit sie der nächsten Generation von Menschen in einer ähnlichen Situation sagen können: „Schauen Sie, es gibt diese Technologie, die jetzt verfügbar ist, sie ist versichert und kann Ihnen etwas bringen einige dieser Gelegenheiten zurück.’“

Für Copeland gehörten diese Möglichkeiten dazu, Videospiele mit seinen Gedanken zu spielen, Präsident Obama mit der Faust zu verprügeln, nach Frankreich und Japan zu reisen, um auf Konferenzen zu sprechen, Kunstwerke aufzunehmen und eine seiner Zeichnungen für 120.000 US-Dollar zu versteigern, um Geld für gemeinnützige Organisationen für psychische Gesundheit zu sammeln AURORA-Institut.

„Ich erinnere mich, als ich an der Studie teilnahm, gab es ein 23-seitiges Einwilligungsformular, auf dem in Fettschrift stand: ‚Sie erhalten keine Vorteile aus der Teilnahme an dieser Studie’“, erinnert er sich. „Das bedeutet, dass ich den Roboterarm oder so etwas nicht behalten kann. Aber ich habe mich mit Leuten im Labor angefreundet, und es gibt mir einen Grund, jeden Tag aufzustehen und das Haus zu verlassen. Ich habe angefangen, meine Kunst zu verkaufen, und ich strebe danach, mehr Arbeit für öffentliche Reden zu bekommen, während ich vorher nicht das Selbstvertrauen hatte, in einem Raum mit Hunderten von Menschen zu sprechen. So wie ich es sehe, hatte ich einen enormen Nutzen aus der Teilnahme an dieser Arbeit.“

Hauptbild von Nathan Copeland mit freundlicher Genehmigung von UPMC/Pitt Health Sciences.

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