Схема работы чувствительного к боли протеза
Osborn et al. / Science Robotics, 2018
Американские инженеры создали электрическую кожу, которая, при изменении оказываемого на нее давления может посылать сигнал о получении болевых ощущений в локтевые и срединные нервы, а затем — в соматосенсорную кору головного мозга. При помощи такой кожи исследователям удалось воссоздать болевой рефлекс в протезе конечности. Статья опубликована в Science Robotics.
Ноцицепторы (рецепторы боли) представляют собой свободные нервные окончания, которые располагаются, в основном, в наружном слое кожи. При стимуляции (ноцицепторы реагируют на механические, химические и тепловые стимулы) они посылают сигнал сначала в спинной мозг, а через него — в головной, через три типа нервных волокон: Aβ-, Aδ- и C-волокна. Aδ-волокна отвечают за восприятие «быстрой» боли, позволяя организму поскорее от нее избавиться: к примеру, убрать руку от горячей плиты. Механорецепторы таких волокон посылают в мозг электрический сигнал, реагируя на механическое тактильное воздействие; сила такого сигнала может быть разной: механорецепторы, поэтому, помогают отличать болезненную механическую стимуляцию (укол иголкой) от безболезненной (укол окончанием шариковой ручки).
При создании чувствительных протезов инженеры прежде всего пытаются воссоздать осязание, добиваясь достаточно впечатляющих результатов. Реже всего исследователи изучают то, как воссоздать в протезе ощущение боли. Однако, несмотря на то, что это не самое желаемое ощущение, его воссоздание очень важно: ощущение разницы между болезненным и безболезненным стимулом может защитить конструкцию протеза от повреждений.
Созданием протеза с искусственными ноцицепторами занялась группа инженеров под руководством Люка Осборна (Luke Osborn) из Медицинской школы Университета Джонса Хопкинса. В создании протеза им помог 29-летний мужчина с ампутированными обеими руками: с помощью кожной электромиостимуляции периферийных нервов (локтевого и срединного) в оставшейся части конечности исследователи разметили (по сообщениям самого участника) разные участки его фантомной руки. Мужчина описывал все ощущения как покалывания в тех местах, где когда-то были его пальцы. Ощущения от покалывания зависели от длины и частоты импульса: самой болезненной оказалась стимуляция с частотой от 10 до 20 герц. Активность соматосенсорной коры головного мозга (контрлатерально стимулируемой конечности) регистрировали при помощи электроэнцефалограммы, что подтверждало успешную стимуляцию нервов.
Зависимость неприятных ощущений от частоты и длины импульсов при стимуляции срединного и локтевого нерва. Активность соматосенсорной коры
Osborn et al. / Science Robotics, 2018
Информацию о пороговых характеристиках стимуляции при ощущении боли использовали в качестве обратного сенсорного ответа для создания электрической кожи (e-dermis), состоящей из нескольких слоев резины, ткани, проводников и пьезорезистивного материала, сопротивление которого меняется при давлении. Такая конструкция воссоздает нервные волокна настоящей кожи человека.
Искусственную кожу поместили на указательный и большой пальцы биомиолектрической искусственной кисти. При механическом воздействии на пьезорезистивную часть дермы (сенсор) к локтевым и срединным нервным окончаниям посылается сигнал, сила которого напрямую зависит от оказанного давления. При достижении давления в примерно 250 килопаскалей начинают стимулироваться ноцицепторные нервные окончания, после чего сигнал о появлении боли посылается в соматосенсорную кору, что приводит к быстрой боли и последующему болевому рефлексу.
Работу такой системы решили проверить при помощь трех типов фигурок с двойным окончанием разной остроты: в зависимости от остроты сенсор на искусственной коже сильнее деформируется, что приводит к повышению оказываемого на него давления.
Зависимость оказываемого давления на сенсор в электрической коже в зависимости от предмета. Активность механорецепторов и ноцицепторов при повышении давления.
Osborn et al. / Science Robotics, 2018
При сжатии фигурки с острыми концами мужчина с протезом испытывал боль и разжимал руку за счет возникшего болевого рефлекса. Такого не происходило при сжатии фигурок с более округлыми наконечниками, из чего ученые сделали вывод, что электрическая кожа помогает распознавать болезненное и безболезненное механическое воздействие.
Osborn et al. / Science Robotics, 2018
Следует отметить, что такая кожа пока что реагирует только на один тип болевого стимула — внешнего механического — и распознавать боль от тепловых или химических стимулов пока что не умеет. Несколько лет назад ученым все же удалось создать достаточно примитивную систему ноцицепторной стимуляции температурой в протезе руки: в ней при воздействии слишком высокой температуры рука оповещает владельца о боли с помощью удара тока.