Bio-ingenieurs verbeteren de werking van een door de hersenen gestuurde robotarm

Wanneer iemand een prothese-arm bedient, vooral een door de geest gestuurde technologie, wordt het extreem moeilijk om complete motorische controle te hebben om dingen te doen zoals aanraken of grijpen.

Een team van bio-ingenieurs van de University of Pittsburgh Rehab Neural Engineering Labs heeft in een nieuw Science -artikel uitgelegd hoe hersenstimulatie die tactiele sensaties opwekt, het voor een gebruiker gemakkelijker kan maken om een door de hersenen gestuurde robotarm te bedienen.

De tijd voor grijpen en overdragen wordt gehalveerd

Het team voerde een experiment uit dat aantoonde dat het aanvullen van visie met kunstmatige tactiele perceptie de tijd die nodig was om objecten te grijpen en over te dragen, halveerde. De mediaan van 20,9 seconden daalde tot 10,2 seconden.

Jennifer Collinger is co-hoofdauteur en Ph.D.-associate professor in de afdeling Fysieke Geneeskunde en Revalidatie van de Universiteit van Pittsburgh.

“In zekere zin is dit wat we hoopten dat zou gebeuren – maar misschien niet in de mate waarin we het observeerden,” zei Collinger. “Sensore feedback van ledematen en handen is enorm belangrijk voor het doen van normale dingen in ons dagelijks leven, en wanneer die feedback ontbreekt, is de prestatie van mensen verzwakt.”

De deelnemer aan de studie

De deelnemer aan de studie was Nathan Copeland, die de eerste persoon ooit was die kleine elektrode-arrays in zijn hersenen kreeg geïmplanteerd, niet alleen in zijn motorische cortex, maar ook in zijn somatosensore cortex, een gebied van de hersenen dat sensorische informatie van het lichaam verwerkt.

De arrays stelden hem in staat om de robotarmen met zijn geest te controleren en tactiele sensorische feedback te ontvangen, wat ook vergelijkbaar is met hoe neurale circuits werken.

“Ik was al extreem vertrouwd met zowel de sensaties die door stimulatie werden gegenereerd als het uitvoeren van de taak zonder stimulatie. Ook al voelde de sensatie niet ‘natuurlijk’ – het voelde als druk en een zachte tinteling – dat stoorde me niet,” zei Copeland. “Er was geen moment waarop ik me realiseerde dat stimulatie iets was waar ik aan moest wennen. Het uitvoeren van de taak terwijl ik stimulatie ontving, ging gewoon samen als PB&J.”

Copeland was betrokken bij een auto-ongeluk dat resulteerde in een beperkte gebruik van zijn armen, dus hij schreef zich in voor een klinische proef met een sensorimotorische micro-elektrode hersen-computerinterface (BCI). Hij kreeg vier micro-elektrode-arrays geïmplanteerd die waren ontwikkeld door Blackrock Microsystems.

De BCI-operator onderging een reeks tests die het oppakken en overdragen van verschillende objecten van een tafel naar een verhoogd platform vereisten. Tactiele feedback werd verstrekt door middel van elektrische stimulatie, waardoor de deelnemer taken twee keer zo snel kon voltooien als zonder stimulatie.

Robert Gaunt is co-hoofdauteur en Ph.D.-associate professor in de afdeling Fysieke Geneeskunde en Revalidatie van de Universiteit van Pittsburgh.

“We wilden de taak niet beperken door de visuele component van de perceptie te verwijderen,” zei Gaunt. “Wanneer zelfs beperkte en onvolkomen sensatie wordt hersteld, verbetert de prestatie van de persoon op een vrij significante manier. We hebben nog een lange weg te gaan om de sensaties realistischer te maken en deze technologie naar mensen thuis te brengen, maar hoe dichter we bij het recreëren van de normale inputs naar de hersenen kunnen komen, hoe beter we er aan toe zijn.”