Myslí ovládaná virtuální ruka dokázala vnímat povrch virtuálních předmětů

"V blízké budoucnosti budou moci tuto technologii využívat zcela ochrnutí pacienti nejen k tomu, aby mohli ovládat své končetiny a znovu chodit, ale také aby dokázali vnímat povrch objektů umístěných v jejich dlaních, a cítit jemné nuance terénu, po kterém se budou procházet pomocí robotického exoskeletu," řekl Miguel Nicolelis profesor neurobiologie na Duke University Medical Center a vedoucí Centra pro neuroinženýring na Duke University.

K tomu aby opice ovládaly ruku virtuálního avatara, nemusely pohnout ani jedinou částí svého skutečného těla, vystačily pouze s elektrickou aktivitou svého mozku. Když se navíc pomocí virtuální ruky dotýkaly povrchu virtuálních předmětů, byly schopny rozlišit jejich textury.

I když virtuální předměty používané v této studii byly vizuálně shodné, byly navrženy tak, aby na povrchu měly různé umělé textury, které by mohly být detekovány v případě, že by se jich zvířata dotýkala virtuální rukou ovládanou přímo elektrickou aktivitou jejich mozku.

Textura povrchu virtuálních objektů byla vyjádřena jako vzor okamžitých elektrických signálů vysílaných do mozků opic. Povrchu každého ze tří vizuálně naprosto stejných virtuálních objektů byl přiřazen jiný vzor elektrických signálů. Opice musely najít správnou texturu jen pomocí senzorické zpětné vazby z falešné končetiny.

Vzhledem k tomu, že se na fungování tohoto rozhraní mozek-stroj-mozek (BMBI) nepodílela žádná skutečná část těla zvířete, mohly by tyto experimenty naznačovat, že pacienti s poraněnou míchou by díky této technologii mohli získat zpět nejen pohyblivost, ale také hmat, řekl profesor Nicolelis, který je hlavním autorem studie publikované 5. října 2011 v časopise Nature.

"Jedná se o první demonstraci rozhraní mozek-stroj-mozek, které vytváří přímé, oboustranné spojení mezi mozkem a virtuálním tělem," řekl Nicolelis. "Díky tomuto rozhraní zvíře svojí mozkovou aktivitou přímo ovládá virtuální tělo v počítači, jehož virtuální končetina navíc generuje informace hmatové zpětné vazby, která je signalizována pomocí přímé elektrické microstimulace jiné oblasti kůry mozkové zvířete."

Jedná se o první demonstraci rozhraní mozek-stroj-mozek, které vytváří přímé, oboustranné spojení mezi mozkem a virtuálním tělem.

"Doufáme, že by tato technologie mohla v příštích několika letech pomoci mnoha ochrnutým pacientům vrátit do jejich života více samostatnosti, zvláště těm, kteří se nemohou pohybovat, nebo kterým chybí hmatové vjemy," řekl Nicolelis.

"Je to také poprvé, co jsme mohli pozorovat mozek při ovládání virtuální paže, kterak zkoumá objekty, zatímco mozek paralelně přijímá elektrické signály zpětné vazby, které popisují jemné textury povrchu objektů, kterých se nově získaná virtuální ruka opice dotýká," podotýká Nicolelis. "Tyto interakce mezi mozkem a virtuálním avatarem byly navíc zcela nezávislé na skutečném těle zvířete, neboť zvíře při tom vůbec nehýbalo svými skutečnými končetinami, a při identifikaci textury povrchu jednotlivých předmětů se jich nedotýkalo svojí skutečnou kůží. Je to skoro jako vytvoření nového smyslového kanálu, kterým mozek může znovu začít zpracovávat informace, které nelze získat pomocí skutečného těla a periferních nervů."

Řízení pohybu avatarovy paže bylo ovládáno sdruženými elektrickými aktivitami populací 50-200 neuronů motorické kůry opice, zatímco tisícovkami neuronů v primární hmatové kůře byla paralelně přijímána průběžná elektrická zpětná vazba z dlaně virtuální ruky, která opici dovolovala rozlišovat předměty na základě jejich povrchové textury.

"Pozoruhodný úspěch s primáty nás vede k přesvědčení, že lidé by mohli stejný úkol zvládnout mnohem snadněji a to již blízké budoucnosti," řekl Nicolelis.

Jedné opici stačily jen čtyři pokusy a druhé devět na to, aby se naučily jak v testu vybrat správný objekt. Několik testů ukázalo, že opice nevybírají objekt náhodně nýbrž jeho ohmatáváním.

Podle profesora Nicolelise poskytují výsledky další důkaz, že by mělo být možné vytvořit robotický exoskelet, který by těžce ochrnutí pacienti mohli užívat ke zkoumání a získávání zpětné vazby o okolním světě. Tento exoskelet by mohl být ovládán přímo pacientovou vůlí a umožňoval by mu samostatný pohyb. Současně s tím by senzory rozmístěné napříč exoskeletem generovaly, potřebné hmatové zpětné vazby, aby mozek pacienta dokázal identifikovat povrchovou texturu, tvar a teplotu předmětů, stejně jako vlastnosti povrchu, po kterém se pohybuje.

Tento celkový terapeutický přístup si zvolilo mezinárodní sdružení The Walk Again Project (projekt Znovu chodit), které bylo před lety zřízeno týmem brazilských, amerických, švýcarských a německých vědců, s cílem plně obnovit mobilitu kvadruplegických pacientů využitím rozhraní mozek-stroj-mozek aplikovaného ve formě robotického exoskeletu.

První veřejná ukázka autonomního robotického exoskeletu by měla proběhnout v den zahájení mistrovství světa ve fotbale v roce 2014 v Brazílii. Výzkumníci doufají, že k slavnostnímu výkopu budou moci do středového kruhu vyslat kvadruplegika oblečeného do "protetického exoskeletu".

Kromě Miguela Nicolelise se na studii podíleli také další autoři: Joseph E. O'Doherty, Mikhail A. Lebedev, Peter J. Ifft, Katie Z. Zhuang, všichni z Duke University Center for Neuroengineering, a dále Solaiman Shokur, and Hannes Bleuler z Ecole Polytechnic Federale de Lausanne (EPFL) ve Švýcarském Lózán.