Maschine, die fühlt sich in der "Jedi" Prothetik einleiten kann

Eine neue Methode des Gefühls ohne Berührung können Menschen mit gelähmten oder verlorene Gliedmaßen zur Interaktion mit der Welt über anspruchsvolle Prothesen, die Empfindungen direkt an das Gehirn senden.

Die Methode, bisher nur bei Affen getestet ist "ein wichtiger Meilenstein" für die neuronale Prothetik, laut Studie Forscher Miguel Nicolelis, Mediziner und Neurobiologe an der Duke University Medical Center. Neuronale Prothesen sind Roboter-Gliedmaßen oder Exoskelett-ähnlichen Geräten nur von Nerven-Signale gesteuert. Nicolelis und andere Forscher planen, testen Sie diese Geräte beim Menschen innerhalb der nächsten ein bis drei Jahre.

"Ich mag sagen, dass wir tatsächlich das Gehirn von den physikalischen Grenzen der Affenkörper befreit," sagte Nicolelis LiveScience. "Er kann verschoben und das Gehirn nur das Gefühl." [Die Zukunft hat begonnen: Cyborgs gehen unter uns]

Bewegung und Gefühl

Forscher weltweit sind hart bei der Arbeit, die Entwicklung von Geräten, die ein bisschen wie Skywalkers Handprothese im 1980 Film "The Empire Strikes Back." funktionieren würde Nach dem Verlust seiner Hand in einem Licht-Säbel Duell, ruft die fiktive Jedi ein neues Glied mit der Funktionalität der ursprünglichen Hand.

"Er bekommt seinen Arm abgehackt, und eine Stunde später setzten eine Prothese auf ihn und starten Sie den Arm stossen und erlebt er die Pokes, als wäre es ein echtes Glied", sagte Sliman Bensmaia, sensorische Forscher an der University of Chicago, die nicht an Nicolelis Studie beteiligt war.

Die nächste Sache, Skywalker Hand ist heute der Roboterarm Defense Advance Research Project Agency (DARPA) Gehirn gesteuert, die für Versuche am Menschen etwa einem Jahr geplant ist. Der Arm kann sich verbiegen und Twist viel wie ein natürlicher Leib und wird gesteuert durch Elektroden in das Gehirn implantiert. Die Elektroden übersetzen elektrischen Aktivität von Gehirnzellen in Befehle für den Arm, per Funksignal übertragen. [Bionischen Menschen: Top 10 Technologien]

Aber die Trick zu Geräten wie der DARPA-Arm zu arbeiten, bekommen Bensmaia sagte, ist immer das falsche Bein zurück an das Gehirn zu sprechen. Ein Arm kann z. B. in so viele Richtungen bewegen und so viele Formen annehmen, dass es einfach nicht möglich, solche Bewegungen effizient anhand der Anblick allein zu kontrollieren. Sie müssen in der Lage zu fühlen, was tut der Arm sein. Aber während Wissenschaftler große Fortschritte gemacht haben, in einhaken Signale des Gehirns bis zur Robotik motor Bewegung zu schaffen, hat die sensorischen Seite zurückgeblieben.

"Für jeden von uns daran zu arbeiten, gibt es 10 Menschen arbeiten auf der Motorseite" Bensmaia sagte.

Eine große Herausforderung, Nicolelis sagte, ist, dass diese Geräte Elektroden im Gehirn Neuronen stimulieren. Strom ist ein eher stumpfes Weg, um das Gehirn bewegen, verglichen mit der Komplexität unserer sensorischen Rezeptoren, und elektrische sensorische Signale an das Gehirn senden, während elektrische motor Signale zu extrahieren versuchen beide Signale, so dass ein großes Durcheinander klettern kann.

Nicolelis und seine Kollegen umgehen dieses Problem durch die Verflechtung der sensorischen und motorischen Signale. In ein rotes Licht, grünes Licht Muster die neue Gehirn-Maschine-Schnittstelle Gehirn Befehle liest, und schaltet dann auf taktile Signale an das Gehirn für Millisekunden zu einem Zeitpunkt.

Die Technik "ermöglicht es uns, diese Signale während ein Zeitfenster zu liefern, in denen wir nicht verlieren viel oder fast alles, was in Bezug auf die Erfassung der motorischen Signale, die das Gehirn erzeugt," sagte Nicolelis. Er und seine Kollegen berichteten ihre Methode online Mittwoch (Okt. 5) in der Zeitschrift Nature.

Monkeying um

Nicolelis und seine Kollegen implantiert um die Methode zu testen, zwei Rhesusaffen mit Elektroden im Gehirn. Einer Charge von Elektroden ging im motorischen Kortex von jeder Affe, der Teil des Gehirns, die Bewegung steuert. Eine weitere Gruppe ging in den sensorischen Bereichen der Affen Gehirne.

Die Forscher ausgebildet, dann die Affen zu einem Computer-Bildschirm in drei identische Objekte betrachten. Der einzige Unterschied zwischen den drei war, dass ein Objekt hatte eine "virtuelle Textur." Der motor Elektroden erlaubt die Affen einen virtuelle Arm über die Objekte mit nur Signale des Gehirns zu bewegen. Wenn der Affe "strukturierte Objekt mit dem virtuellen Arm berührt", würde es ein Signal an den sensorischen Teil seines Gehirns erhalten.

Die Tiere hatten das richtige Textur Objekt mit dem virtuellen Arm wählen; Wenn sie erfolgreich war, wurden sie mit einem Spritzer Saft belohnt.

Nicolelis die Affen Asse beim Test waren, gesagt werden, vorausgesetzt, wie er es nannte "Proof of Prinzip", die Elektroden in der Tat können senden Informationen an den sensorischen Gehirnregionen in Echtzeit. Ein Affe gelernt, wie man das texturierte Objekt innerhalb von vier Studien zu finden, während die anderen neun nahm. Als die Versuche, die Affen besser und besser fort, schließlich immer an das Gehirn nur Aufgabe fast so gut wie sie hätten, wenn sie ihre echte Hände und Arme benutzt hatte.

"Es war ziemlich schnell", sagte Nicolelis. "Da wir die Affen sprechen können, ich nehme an, mit menschlichen Patienten, wird es viel einfacher werden."

Intuitives Gefühl

Motorischen Aktion sensorisches Feedback hinzufügen eine "wichtige Innovation", sagte Bensmaia. Aber es muss mehr getan werden, um sicherzustellen, dass die sensorische Signale tatsächlich Sinn machen. In der Studie mit Affen die Signale stimuliert ein Affe Hand und Bein des Affen, aber gibt es keine Möglichkeit zu wissen, wie die Tiere das Gefühl erlebt. Um ein komplexes Glied zu bewegen, sagte Bensmaia, die Signale müssen so nah wie möglich, was das ursprüngliche Glied produziert haben würde.

"Es ist diese Flut der Signale aus dem Arm, der eigentlich dazu dienen kann, verwirrt, als in der Steuerung des Arms zu unterstützen, es sei denn, diese Signale in irgendeiner Weise intuitiv sind", sagte Bensmaia. "Das ist die nächste große Herausforderung."

Eine weitere Herausforderung, Nicolelis sagte, soll mehr Neuronenaktivität gleichzeitig aufzeichnen. Je mehr Neuron Signale, die mehr Kontrolle, sagte er. Er und seine Kollegen sind Teil des internationalen Fuß wieder das Projekt zielt darauf ab, eine vollständige "Exoskelett" für gelähmte Patienten zu entwickeln. Die Idee ist, dass das Exoskelett, gesteuert durch das Gehirn eine Person verloren Muskelkontrolle ersetzen würde, so dass sie sitzen, stehen und gehen.

Nicolelis sagte, soll das Exoskelett in drei Jahren fertig haben, rechtzeitig für die WM 2014 in seinem Land von Brasilien.

"Wir denken, dass wir dies in den nächsten drei Jahren oder so zu tun," sagte Nicolelis. "Wir hoffen, dass ein Jugendlicher war Tetraplegiker bis dann in der Lage, zu Fuß in das Eröffnungsspiel und tritt den Ball Eröffnung des World Cup."

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