پژوهشگران مرکز پزشکی کلیولند حس حرکت را به افراد قطع عضو بازگرداندند. پروتزهای پیشرفته امروزی نمی‌توانند حس حرکتی را برای افرادی که از اندام مصنوعی استفاده می‌کنند فراهم کنند. تنها راه برای آگاهی از موقعیت اندام مصنوعی در پروتزهای امروزی، استفاده از حس بینایی است. پژوهشگران مرکز کلیولند رابط عصبی را ایجاد کرده‌اند که بازخورد حس حرکت را با کمک یک دست مصنوعی، تقلید می‌کند. روش ارائه شده نه تنها هدایت دست مصنوعی را بهبود می‌دهد بلکه درک حرکت و موقعیت دست را برای کاربر امکان‌پذیر می‌کند. با مجله‌ی فناوری‌های توان‌افزا و پوشیدنی همراه باشید.

دست مصنوعی

در سال ۲۰۰۶، آماندا کیتس (Amanda Kitts) در اثر تصادف، دست خود را از دست داد. پس از ده سال از آن سانحه، او در مرکز پزشکی کلیولند (Cleveland Clinic) توانست یک دست مصنوعی را کنترل کند. دست مصنوعی از طریق یک سوکت پروتزی که روی کتف بسته شده است، هدایت می‌شود. سوکت پروتزی از جنس ترموپلاستیک است. رشته اعصابی که پیش از قطع عضو، به دست و ساعد او دستور می‌دادند؛ پس از آن ماهیچه‌های دو سربازو (biceps) و سه سربازو (triceps) را تحریک می‌کنند. این ماهیچه‌ها به ترتیب در جلوی بازو و پشت بازو قرار دارند. سوکت پروتزی روی شانه، سیگنال‌های الکتریکی از ماهیچه‌های دست را به دست مصنوعی ارسال می‌کند. او با ذهن خود، دست مصنوعی را هدایت می‌کند. با فکر کردن به بستن دست، دست مصنوعی حرکت کرده و بسته می‌شود. هم‌اکنون آماندا حرکت دست خود را حس می‌کند. در سال‌های اخیر، پروتزهای متحرک پیشرفت بسیاری داشته‌اند. با افزودن امکانات پیچیده به پروتزهای مصنوعی، توانایی حرکت در افراد قطع عضو بازگردانده می‌شود.

علم فیزیولوژی اعصاب

متخصصان فیزیولوژی اعصاب (Neurophysiology)، آگاهی از حرکت و موقعیت فضایی یک مفصل بدن را Kinesthesia می‌گویند. اصطلاح عمومی‌تر آن، حس عمقی (Proprioception) است. هنگامی که یک فرد سالم دست خود را حرکت دهد؛ سیگنال‌های حسی حرکتی، مغز را از موقعیت و چگونگی حرکت دست آگاه می‌کنند. Kinesthesia مفهومی است که به فرد اجازه می‌دهد یک شی در حال افتادن را بگیرد. همچنین اجازه می‌دهد، همزمان با انداختن کوله پشتی روی دست راست، با دست چپ با گوشی موبایل کار کند. در واقع، حس عمقی اشاره به توانایی بدن به حس کردن حرکات بین مفاصل و موقعیت مفصل در فضا دارد. این توانایی ما را قادر می سازد که موقعیت بدن خود را در فضا بدون نگاه کردن تشخیص دهیم. اطلاعات حس عمقی از جمله جهت، موقعیت در فضا، سرعت و فعال‌سازی عضلانی است که در درک موقعیت و حس حرکت نقش دارند.

امروزه پروتزهای پیشرفته نمی‌توانند حس عمقی را برای افراد قطع عضو که دیگر عضو قطع شده را حس نمی‌کنند و از اندام مصنوعی استفاده می‌کنند فراهم کنند. بنابراین تنها راه برای آگاهی از موقعیت اندام مصنوعی، استفاده از حس بینایی است. حتی باز کردن در با پروتز دست، عملی نه چندان آسان به شمار می‌آید. بدون داشتن حس عمقی، همه مراحل حرکت دادن دست مصنوعی با نگاه کردن اجرا می‌شود.

در آخرین شماره‌ی نشریه Science Translational Medicine، پژوهشگران رابط عصبی را توصیف کرده‌اند که بازخورد حس عمقی را با کمک یک دست مصنوعی، تقلید می‌کند. این رابط عصبی بر افراد قطع عضو مانند آماندا کیتس آزمایش شده است. این پژوهش توسط تعدادی از محققان به سرپرستی پل موراسکو (Paul Marasco) دانشمند فیزیولوژی اعصاب انجام شده است. روش ارائه شده نه تنها هدایت دست مصنوعی را بهبود می‌دهد بلکه درک حرکت و موقعیت دست را برای کاربر امکان‌پذیر می‌کند. برای نمونه، بسته شدن انگشتان را حس می‌کنند. این روش بر پایه‌ی درک حس حرکت ناشی از لرزش و ارتعاش عمل می‌کند. لرزش تاندون با فرکانس حدود ۷۰ تا ۱۱۵ هرتز، حس حرکت در تاندون را به کاربر القا می‌کند. القای حرکت، می‌تواند در چندین مفصل و تاندون ایجاد شود تا کاربر حس کند دست در حال حرکت است. با ایجاد لرزش در تاندون‌های ماهیچه‌ی دوسر بازو، برای نمونه هنگام لمس نوک بینی با دست مصنوعی، به شما القا می‌کند که مفصل آرنج در حال حرکت به سوی صورت شما است.

بازیابی حس حرکت در دست مصنوعی

موراسکو و همکارانش در تلاش هستند تا حس حرکت را در دست مصنوعی همانند یک دست واقعی فراهم کنند. برای دستیابی به این هدف، ‌آنها در ماهیچه‌های دوسربازو و سه‌ سربازو و ماهیچه‌ی قفسه سینه لرزش ایجاد کردند. این آزمایش روی ۶ فرد قطع عضو اجرا شد. از افراد تحت آزمایش خواسته شد همزمان با لرزش، حرکت القا شده را با دست دیگر خود انجام دهند. نتیجه‌ی آزمایش غافلگیرکننده بود. پژوهشگران انتظار داشتند که افراد تحت آزمایش حرکت را در انگشتان و مفاصل به صورت جداگانه حس کنند. آنچه که در افراد مشاهده شد حرکت یکپارچه دست بود. در دست‌های مصنوعی، در همه‌ی انگشتان به صورت هماهنگ حرکت ایجاد شد. می‌توان این هماهنگی میان انگشتان و مفاصل را ادراک نامید.

کریستین کیپریانی (Christian Cipriani) رییس بخش دست‌های هوشمند در موسسه BioRobotics بیان می‌کند هیچکس انتظار نداشت که توهم حرکتی و القای حس حرکت در افراد قطع عضو قابل اجرا باشد. نکته قابل توجه این است که واقعا نمی‌دانستیم توهم حرکتی در اعصاب دیگر غیر از اعصاب تحریک شده، القا شود. در واقع مغز انواع پیکربندی و تنوع حرکتی دست را به بلوک‌های قابل کنترل تقسیم‌بندی می‌کند. برای حس کردن و ادراک موقعیت گرفتن یک لیوان در دست مصنوعی، ابتدا مغز تصور می‌کند که یک شی استوانه‌ای مانند (cylinder-grip percept) را در دست دارد سپس برای بلند کردن لیوان از میز، ادراک حرکت انگشتان شست و اشاره و انگشت وسط (tripod-grip percept) به کار گرفته می‌شود. می‌توان این تقسیم‌بندی را به صورت کتابخانه‌ای از مجموعه‌ی انواع حرکت دست در نظر گرفت.

پژوهشگران از رابط عصبی-ماشین (neural-machine interface) دو طرفه استفاده کردند. این رابط سیگنال‌های الکتریکی را از ماهیچه‌های تحریک شده به دست مصنوعی ارسال می‌کنند. به این ارتباط یک طرفه، سیگنال بازخورد حس عمقی حرکتی نیز افزوده شد. هنگامی که دست مصنوعی در پاسخ به کنترل ذهنی کاربر حرکت می‌کند، لرزش‌هایی به عنوان سیگنال بازخورد در ماهیچه‌ها ایجاد می‌شود و توهم حرکنی و حس حرکتی را در کاربر القا می‌کند. با تطبیق بازخورد توهم حرکتی و قصد کاربر، در لحظه هدایت دست مصنوعی بهبود می‌یابد. عملکرد افراد قطع عضو در هدایت دست مصنوعی با وجود سیگنال بازخورد، همانند افراد سالم است.

در همین زمینه بخوانیم:

>>دریافت بازخورد حسی از اندام مصنوعی با ایجاد توهم حرکتی
>>ایجاد دوباره مسیرهای حسی و حرکتی در مغز به کمک اندام مصنوعی

منبع: wired

«استفاده و بازنشر مطالب تنها با ذکر لینک منبع و نام (مجله فناوری‌های توان‌افزا و پوشیدنی) مجاز است»