"Intelligente" Hände halten versprechen für Amputierte

Diese Forschung in Aktion Artikel wurde LiveScience in Zusammenarbeit mit der National Science Foundation zur Verfügung gestellt.

Auch wenn unsere Hände kein lebenswichtiges Organ sind, können Sie sich vorstellen, ohne sie leben?

Prothesen mit Holz und vielen anderen Materialien gemacht haben seit Jahrhunderten mit ästhetischen und funktionellen Zwecken verwendet.

Heutige Ingenieure und Wissenschaftler arbeiten daran, um so ähnlich wie möglich mit den realen Prothesen zu produzieren.

Um sich bewegen können müssen unsere Hände zuerst wir einen Reiz im Teil unseres Gehirns, genannt den motorischen Kortex generieren. Der Reiz reist zum Rückenmark, weiter geht es durch die Nerven und letztlich erreicht die Muskeln, die aktiviert werden, um zu öffnen, schließen oder andere Bewegungen mit den Händen machen müssen.

Um etwas mit den Händen fühlen zu können, ist der Prozess umgekehrt. Durch Temperatur, Druck oder Schmerzen sind spezielle Rezeptoren in der Haut stimuliert. Der Reiz reist durch die Nerven zum Rückenmark und dann an das Gehirn (nach der sensorischen Kortex), wo die Nachricht interpretiert wird.

Das Bild oben zeigt eine nicht-invasive direkte Gehirn Steuerungstechnik für Gliedmaßen und Gehirn-Absicht-Erkennung. Es gibt verschiedene Techniken, die es ermöglichen, lesen die elektrischen Reize, die im Gehirn produziert werden:

• Elektroenzephalographie (EEG), die seit vielen Jahren bei der Diagnose von Epilepsie verwendet wurde. Dies verwendet nicht-invasive Elektroden auf der Kopfhaut, um die elektrische Aktivität des Gehirns aufzuzeichnen. Dieses Verfahren ist kostengünstig und hat keinen medizinische Komplikationen, aber es ist ungenau.
• Electrocorticography (ECOG) durchgeführt, in denen die Elektroden auf das Gehirn gelegt werden. Die invasive Methode ermöglicht eine bessere Lesung, aber möglicherweise mehr medizinische Komplikationen wie Infektionen oder Blutungen.
• Magnetoenzephalographie (MEG), die Magnetfelder durch elektrische Reize liest, ist nicht invasiv, aber teuer.
• Funktional in der Nähe von Infrarot-(FNIR) Imaging, die die Teile des Gehirns produzieren die Reize durch die Erhöhung der Blut in diesem Bereich auf Infrarot-Strahlungsmessung basiert angibt, ist nicht-invasiv und preiswert.

Forscher haben nun eine Handprothese erstellt, die spürt und viele der Bewegungen der menschlichen Hand wiedergeben kann. Diese Art der Prothese arbeitet mit einem Chip, die auf das Gehirn eingepflanzt wird und die liest die Reize von den motorischen Kortex, senden und empfangen Signale von der Prothese.

Die Signale müssen nicht um das Rückenmark zu gehen; Sie können direkt aus dem Gehirn der Maschine, ein System bekannt als Brain-Computer-Interface (BCI) gehen. Eine solche Schnittstelle ist sehr wichtig beim Umgang mit Patienten, die Schäden im Rückenmark und sind nicht in der Lage, Signale durch es übertragen.

Eines der größten Probleme mit dem Chip ist, dass er im Laufe der Zeit vor dem Kontakt mit menschlichem Gewebe zerfällt und alle paar Jahre ausgetauscht werden muss, das Risiko von Infektionen und Blutungen erhöht.

Rahmat Shoureshi, arbeitet an der University of Denver, an einer Prothese, dass Nutzungen kombiniert bildgebende Verfahren die Impulse vom Gehirn zu lesen.

"FNIR und EEG sind in unserem Hybrid-sensorische System verwendet und kombiniert sie haben eine überlegene Fähigkeit, Gehirn Absichten im Vergleich zum EEG allein zu erkennen", sagte Shoureshi. "Während Technologien wie fMRI und MEG haben höhere Empfindlichkeit und höherer Auflösung, sie sind teuer und erfordern große Ausrüstung. EEG und fNIR sind kostengünstige und tragbare Systeme zur Überwachung in Echtzeit Gehirn geeignet."

Zwar nicht in der Lage, Relais sensorisches Feedback für den Benutzer, ist die nicht-invasive Art von Vorteil. Die Technik ist sicherer als invasive Systeme, noch kann die Aktivität der Neuronen im motorischen Kortex genau lesen und vermeidet Störungen (die zu ungenaue Bewegungen führen würde).

"Die Auflösung der fNIR imaging-System ist nur durch den Abstand der Licht aussenden und empfangen Elemente, begrenzt", sagte Shoureshi. "In unserem aktuellen Design ist der Abstand zwischen Quelle und Sensor ein Zoll, die wir für unsere aktuellen Einsatz der Technik ausreichend gefunden haben. Wenn eine höhere Auflösung fNIR notwendig ist, haben wir schon gebaut und getestet-Systeme, die Quelle und Sensor Gruppen überschneiden sich."

Meinungen, Erkenntnisse und Schlussfolgerungen oder Empfehlungen ausgedrückt in diesem Material sind die des Autors und spiegeln nicht unbedingt die Ansichten von der National Science Foundation. Siehe die Forschung in Aktion-Archiv.