Μια νέα μελέτη φέρνει πιο κοντά την προοπτική προσθετικών ποδιών που δεν θα βασίζονται μόνο σε μηχανικούς αισθητήρες, αλλά θα ελέγχονται άμεσα από το νευρικό σύστημα του χρήστη. Ερευνητές κατάφεραν για πρώτη φορά να αποκωδικοποιήσουν με υψηλή ακρίβεια την πρόθεση κίνησης από τα εναπομείναντα νεύρα ατόμων με ακρωτηριασμό πάνω από το γόνατο.
Ερευνητική ομάδα με επικεφαλής επιστήμονες από το Chalmers University of Technology στη Σουηδία κατάφερε για πρώτη φορά να αποκωδικοποιήσει με επιτυχία κινήσεις του ποδιού απευθείας από τα εναπομείναντα νεύρα ανθρώπων με ακρωτηριασμό πάνω από το γόνατο. Με τη βοήθεια νέας εμφυτεύσιμης νευροτεχνολογίας και μιας μεθόδου τεχνητής νοημοσύνης βασισμένης στη «γλώσσα» του ίδιου του νευρικού συστήματος, οι ερευνητές κατάφεραν να πετύχουν κάτι που μέχρι σήμερα θεωρούνταν αδύνατο: να ερμηνεύσουν λεπτομερείς κινήσεις, ακόμη και την πρόθεση του χρήστη να κουνήσει τα δάκτυλα του ποδιού.
Το εύρημα ανοίγει τον δρόμο για μελλοντικά προσθετικά πόδια που θα μοιάζουν και θα λειτουργούν πολύ περισσότερο σαν φυσικό μέρος του σώματος.
Ο μεγάλος στόχος της βιοϊατρικής έρευνας
Η αποκατάσταση μιας λειτουργικής και ανεξάρτητης ζωής για τα άτομα με ακρωτηριασμό μέσω προσθετικών μελών που ελέγχονται από τον ίδιο τον χρήστη αποτελεί εδώ και δεκαετίες κεντρικό στόχο της βιοϊατρικής έρευνας.
Σήμερα, τα προσθετικά χεριών και άνω άκρων ελέγχονται συχνά μέσω των υπολειπόμενων μυών, οι οποίοι εξακολουθούν να ενεργοποιούνται από νευρικά σήματα που προέρχονται από τον εγκέφαλο. Ωστόσο, αυτή η προσέγγιση προϋποθέτει ότι οι σχετικοί μύες παραμένουν άθικτοι, κάτι που δεν συμβαίνει σε πιο εκτεταμένους ακρωτηριασμούς. Για τους ακρωτηριασμούς κάτω άκρων, τα προσθετικά πόδια βασίζονται συνήθως σε μηχανικά συστήματα και ενσωματωμένους αισθητήρες, οι οποίοι προσαρμόζονται αυτόματα στη βάδιση χωρίς άμεσο ενεργό έλεγχο από τον χρήστη.
Η νέα μελέτη, που δημοσιεύθηκε στο Nature Communications, επιχείρησε να κάνει κάτι διαφορετικό: να αξιοποιήσει πιο άμεσα τα νευρικά σήματα που παραμένουν ενεργά μετά τον ακρωτηριασμό.
Η πληροφορία υπάρχει ήδη μέσα στα νεύρα
«Όταν δίνεις εντολή στο σώμα σου να κινηθεί, τα σήματα ταξιδεύουν μέσω των νεύρων προς τους μύες που εκτελούν την κίνηση, ακόμη και αν το άκρο δεν υπάρχει πια», εξηγεί ο Giacomo Valle, επίκουρος καθηγητής στο Chalmers και ένας από τους senior authors της μελέτης. «Αυτό σημαίνει ότι όλη η απαραίτητη πληροφορία εξακολουθεί να υπάρχει μέσα σε αυτά τα νεύρα. Η μεγάλη πρόκληση είναι να εξαγάγεις αυτή την πληροφορία και να κατανοήσεις τον νευρικό κώδικα που κρύβεται από πίσω — και εκεί εστιάστηκε η δουλειά μας».
Σύμφωνα με τον Valle, η δυνατότητα ανάγνωσης και ερμηνείας κινητικών σημάτων απευθείας από τα νεύρα αποτελεί κλειδί για την ανάπτυξη προσθετικών που θα είναι πιο άμεσα ελεγχόμενα, πιο ακριβή και πιο φυσικά στη χρήση.
«Αν ένα εμφύτευμα μπορεί να συνδεθεί απευθείας με τα εναπομείναντα νεύρα και όχι έμμεσα μέσω των υπολειπόμενων μυών, τότε μπορείς να χρησιμοποιήσεις ακριβώς τα ίδια φυσικά σήματα που χρησιμοποιεί το σώμα για να κινεί τα άκρα», σημειώνει. «Αυτό αυξάνει σημαντικά τις δυνατότητες για προσθετικά με φυσικό έλεγχο, αισθητηριακή ανάδραση και πρωτοφανή ανάλυση».
Η μεγάλη δυσκολία: να διαβαστούν αδύναμα σήματα
Η άμεση εξαγωγή σημάτων από τα εναπομείναντα νεύρα ατόμων με ακρωτηριασμό είναι εξαιρετικά δύσκολη. Πολύ λίγες μελέτες έχουν καταφέρει να το πετύχουν, και όλες επικεντρώνονταν στα άνω άκρα, παρότι η πλειονότητα των ανθρώπων που ζουν με ακρωτηριασμό έχει χάσει ένα πόδι. Το πρόβλημα είναι ότι τα νεύρα μετά τον ακρωτηριασμό παράγουν αδύναμα σήματα, τα οποία είναι δύσκολο να καταγραφούν με σταθερό και αξιόπιστο τρόπο.
Η ερευνητική ομάδα αντιμετώπισε αυτή την πρόκληση με μια εντελώς νέα προσέγγιση για ακρωτηριασμούς κάτω άκρων, συνδυάζοντας ένα νευροτεχνολογικό εμφύτευμα με έναν νέο αλγόριθμο τεχνητής νοημοσύνης.
Ο ίδιος τύπος νευρικού εμφυτεύματος, που αναπτύχθηκε στο Πανεπιστήμιο του Freiburg, είχε χρησιμοποιηθεί σε προηγούμενη έρευνα μόνο για τη διέγερση των εναπομεινάντων νεύρων και την αποκατάσταση της αίσθησης αφής. Στη νέα μελέτη, οι ερευνητές κατάφεραν να χρησιμοποιήσουν την ίδια τεχνολογία και για την ακριβή, ελεγχόμενη ανάγνωση νευρικών σημάτων.
Τεχνητή νοημοσύνη που μιμείται τον τρόπο επικοινωνίας των νευρώνων
Στο επόμενο βήμα, οι ερευνητές αξιοποίησαν μια νέα τεχνική τεχνητής νοημοσύνης για να ερμηνεύσουν τα καταγεγραμμένα σήματα. Η μέθοδος βασίζεται στα λεγόμενα Spiking Neural Networks (SNNs), τα οποία διαφέρουν από τα συμβατικά συστήματα AI επειδή επεξεργάζονται χρονικά ηλεκτρικά «spikes» και όχι συνεχείς αριθμητικές τιμές.
Σύμφωνα με την Elisa Donati, καθηγήτρια στο University of Zurich και στο ETH Zürich και επίσης senior author της μελέτης, αυτά τα δίκτυα προσεγγίζουν πολύ πιο πιστά τον τρόπο με τον οποίο επικοινωνούν οι βιολογικοί νευρώνες.
«Η μελέτη μας δείχνει ότι η αποκωδικοποίηση της δραστηριότητας των περιφερικών νεύρων λειτουργεί καλύτερα όταν σέβεται τη γλώσσα του ίδιου του νευρικού συστήματος», αναφέρει. «Τα περιφερικά νεύρα επικοινωνούν μέσω διακριτών ηλεκτρικών παλμών, δηλαδή spikes, και τα spiking neural networks είναι φυσικά κατάλληλα για την επεξεργασία αυτού του τύπου σήματος. Ευθυγραμμίζοντας τα υπολογιστικά μοντέλα πιο κοντά στη βιολογία, μπορούμε να εξαγάγουμε αποτελεσματικά την πρόθεση κίνησης, με μικρά μοντέλα και σχετικά περιορισμένα δεδομένα. Αυτό είναι ένα σημαντικό βήμα προς συστήματα χαμηλής κατανάλωσης, πλήρως εμφυτεύσιμα, για πιο φυσικό έλεγχο προσθετικών μελών».
Από την πρόθεση κίνησης μέχρι την πιθανή αποκατάσταση της αίσθησης
Στη μελέτη, οι ερευνητές επικεντρώθηκαν σε ακρωτηριασμούς πάνω από το γόνατο και πραγματοποίησαν δοκιμές σε δύο συμμετέχοντες. Τοποθέτησαν τέσσερα υπέρλεπτα νευρικά εμφυτεύματα — το καθένα περίπου όσο μια ανθρώπινη τρίχα, εύκαμπτο και ιδιαίτερα ευπροσάρμοστο — στον κνημιαίο κλάδο του ισχιακού νεύρου, ο οποίος παίζει κεντρικό ρόλο τόσο στην κίνηση όσο και στην αισθητικότητα του ποδιού.
Όταν ζητήθηκε από τους συμμετέχοντες να προσπαθήσουν να εκτελέσουν διαφορετικές κινήσεις με το «φανταστικό» τους πόδι, οι ερευνητές κατέγραψαν τα εξερχόμενα νευρικά σήματα και τα αποκωδικοποίησαν με πρωτοφανή ανάλυση μέσω του AI αλγορίθμου.
«Πρόκειται για την πρώτη μελέτη που δείχνει ότι τα σήματα που καταγράφονται απευθείας από τα περιφερικά νεύρα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την ακριβή ερμηνεία της πρόθεσης κίνησης του ποδιού σε ακρωτηριασμένους», λέει ο Valle. «Με αυτή την προσέγγιση καταφέραμε να αντιστοιχίσουμε συγκεκριμένα νευρικά σήματα σε συγκεκριμένες κινήσεις και να προβλέψουμε με μεγάλη ακρίβεια ποια κίνηση προσπαθούσαν να εκτελέσουν οι συμμετέχοντες».
Μετάδοση πληροφορίας
Η μέθοδος επέτρεψε την ερμηνεία πολύ συγκεκριμένων κινήσεων για το γόνατο, τον αστράγαλο και τα δάκτυλα, ακόμη και κινήσεων που μέχρι σήμερα δεν μπορούσαν να αποκωδικοποιηθούν.
«Η μελέτη προσφέρει μοναδική εικόνα για το πώς το νευρικό σύστημα μεταδίδει πληροφορία. Σπάσαμε τον κώδικα της νευρικής επικοινωνίας και δείξαμε ότι είναι εφικτό να ερμηνεύσουμε λεπτομερείς κινήσεις του ποδιού, ακόμη και σε ακρωτηριασμούς όπου έχει χαθεί το μεγαλύτερο μέρος του κάτω άκρου. Ήταν εντυπωσιακό να βλέπουμε ότι ηλεκτρόδια τοποθετημένα ψηλά σε ό,τι έχει απομείνει από το πόδι μπορούσαν να αποκωδικοποιήσουν ακόμη και την προσπάθεια κίνησης των δακτύλων», σημειώνει.
Σύμφωνα με την ομάδα, ένα ακόμη σημαντικό πλεονέκτημα είναι ότι η ίδια τεχνολογία μπορεί να χρησιμοποιηθεί τόσο για κινητικό έλεγχο όσο και για αποκατάσταση της αίσθησης, μέσω ενός και μόνο εμφυτεύματος. Μέχρι σήμερα, για να μπορεί ένα προσθετικό μέλος να «κινείται» και να «αισθάνεται», απαιτούνταν διαφορετικά εμφυτεύματα.
«Το σύστημα είναι αμφίδρομο», εξηγεί ο Valle. «Μόλις τα ηλεκτρόδια εμφυτευθούν μέσα στο νεύρο, μπορούν να χρησιμοποιηθούν για αμφίδρομη επικοινωνία με το νευρικό σύστημα. Έτσι, για πρώτη φορά, μια ενιαία νευροτεχνολογία μπορεί να προσφέρει τόσο φυσικό νευρικό έλεγχο όσο και αισθητηριακή ανάδραση στο ίδιο εμφυτεύσιμο σύστημα».
Το επόμενο βήμα: ενσωμάτωση σε πραγματικό προσθετικό πόδι
Η μελέτη αποτελεί proof of concept, δηλαδή απόδειξη σκοπιμότητας, και δείχνει ότι η τεχνική είναι εφικτή. Το επόμενο βήμα είναι να δοκιμαστεί πάνω σε πραγματικά προσθετικά πόδια. Παρότι το εύρημα έχει ιδιαίτερη σημασία για τα προσθετικά κάτω άκρων, ο Valle εκτιμά ότι η μέθοδος θα μπορούσε στο μέλλον να επεκταθεί και σε άλλους τύπους προσθετικών.
«Πιστεύω ότι τα αποτελέσματα αυτά μπορούν να επηρεάσουν ουσιαστικά το πεδίο», τονίζει. «Το επόμενο βήμα είναι να ενσωματώσουμε και να δοκιμάσουμε την τεχνολογία σε ένα προσθετικό πόδι που θα μπορεί να ελέγχεται άμεσα και να επιστρέφει φυσική αίσθηση».
Κάντε like στη σελίδα μας στο facebook για να μαθαίνετε όλα τα νέα
Διαβάστε επίσης
Τεχνητή νοημοσύνη προβλέπει το Αλτσχάιμερ με ακρίβεια 93%
Τεχνητή Νοημοσύνη ή Google; Τι δείχνει μελέτη για τις επιλογές ασθενών
