Исследования функций мозга человека и попытки воссоздать его сложные процессы всегда занимали ученых.
Потеря связи между мозгом и остальным телом из-за травмы или неврологического заболевания серьезно влияет на сенсомоторные способности людей.
Часто из-за этого люди также испытывают неспособность чувствовать свое собственное тело.
Невозможность двигаться самостоятельно в нужном объеме и сопутствующая потеря независимости вызывают серьезные проблемы со здоровьем и ухудшение качества жизни.
Недавно разработанные нейротехнологии, например, для улучшения качества протезов или лечения неврологических расстройств, используют прямую электрическую стимуляцию остаточной периферической или центральной нервной системы для восстановления некоторых утраченных сенсомоторных функций.
Интерфейсы мозг-компьютер, использующие имплантируемые нейронные устройства, потенциально могут восстановить двунаправленный поток информации от мозга и обратно, как это бывает в здоровом теле.
Такая технология используется, например, при создании бионических рук.
Имплантация биосовместимых электродов в остаточные нейронные структуры позволяет создать прямой канал связи с мозгом, а нейронная стимуляция периферических соматических нервов спинного мозга и соматосенсорной коры головного мозга помогает восстанавливать недостающие ощущения.
В результате появились нейропротезы с замкнутым контуром, способные устанавливать двунаправленную связь между людьми и машинами.
Восстановление сенсорной обратной связи улучшило способность пациентов использовать бионические конечности и увеличило вероятность принятия протезов.
Однако, несмотря на значительные достижения в области протезирования конечностей, полная имитация естественного чувства остается сложной задачей. Существующие протезы обладают ловкостью и подвижностью, но им недостает высококачественной сенсорной обратной связи. Одной из основных проблем является отсутствие возможности передачи естественных ощущений от протеза к мозгу человека.
В современных нейротехнологиях используются различные методики стимуляции нервных клеток для воссоздания тактильных ощущений. Однако большинство из них активируют все нейроны одновременно, вместо того чтобы имитировать активность нейронов при естественном воздействии. Это приводит к появлению парестезии, ощущению покалывания или другим аномальным тактильным ощущениям.
Для решения этой проблемы ученые разработали концепцию биомиметической сенсорной обратной связи, которая позволяет создавать более естественные восприятия. Команда исследователей из научно-технологического университета «Сириус» провела серию экспериментов, изучая реакцию нервной системы на различные виды стимуляции. Они анализировали, как нервные импульсы передаются от искусственных сенсоров к мозгу, и как эти сигналы распространяются в организме.
С помощью специального оборудования ученые смогли сравнивать реакцию нейронов на различные виды стимуляции, такие как биомиметическая, тоническая и естественное прикосновение. Исследования показали, что биомиметическая стимуляция более точно воссоздает естественные ощущения, чем другие методики. На основе этих данных была создана новая биологическая модель передачи нервных импульсов, названная FootSim. Эта модель позволяет более реалистично воспроизводить работу нервной системы человека при использовании протезов и имплантатов.
Основной задачей FootSim является создание сенсорной обратной связи, которая была бы максимально приближена к естественным ощущениям. Кроме того, ученые изучают возможности улучшения протезов путем интеграции биомиметической технологии.
Одним из перспективных направлений исследований является разработка нейроинтерфейсов, способных передавать информацию между протезом и мозгом с большей точностью и эффективностью. Такие разработки могут значительно улучшить качество жизни людей с ампутациями и другими нарушениями опорно-двигательного аппарата.
В целом, современные нейротехнологии открывают перед нами широкие возможности для развития передовых методов протезирования и восстановления функций организма. Результаты исследований ученых продемонстрировали, что инновационные подходы к созданию протезов позволяют сделать их более функциональными и комфортными для пациентов.
Биомиметическая сенсорная обратная связь открывает новые перспективы в области реабилитации и восстановительной медицины, делая протезы более интуитивно понятными и легкими в использовании. Непрерывные исследования в этой области позволят не только улучшить существующие технологии, но и создать совершенно новые методики протезирования, которые изменят наше представление о возможностях медицины и техники.
В долгосрочной перспективе протезирование может стать не только эффективным способом восстановления утраченных функций, но и огромным шагом вперед в развитии искусственного интеллекта и биоинженерии.
FootSim - это инновационная технология, способная точно имитировать пространственно-временную динамику естественного прикосновения и воссоздавать ощущения, которые возникают в стопе при шаге. Эта технология разработана для создания носимых систем, которые обеспечивают пользователям реалистичные ощущения и помогают им в повседневных действиях.
Носимая система FootSim включает в себя сенсорную стельку с несколькими датчиками давления, протез коленного сустава на основе микропроцессора с податливой стопой, портативный микроконтроллер, программированный с использованием биомиметических алгоритмов сенсорного кодирования, многоканальный нейростимулятор и внутринейронные электроды, имплантированные в периферические нервы.
Нейропротез записывает информацию о давлении от датчиков в реальном времени во время ходьбы и преобразовывает ее в биомиметические шаблоны нейростимуляции, передаваемые через электроды. Благодаря этой технологии пациенты могут чувствовать естественные ощущения от протезной ноги непосредственно, без задержек.
Результаты исследований по созданию FootSim показали, что участники эксперимента легче и точнее выполняли движения с протезом, такие как подъем по лестнице, благодаря реалистичным ощущениям, которые они получали.
Эта инновационная нейробиологическая технология, вдохновленная человеческим телом, может стать основой для развития ассистивных нейротехнологий.
Биомиметическая нейростимуляция, применяемая в FootSim, способна передавать физиологически правдоподобную информацию обратно в периферическую нервную систему, что может быть полезно при создании других нейропротезов, включая глубокую стимуляцию мозга, улучшение разборчивости речи для кохлеарных имплантатов и другие приложения биоэлектронной медицины.
Ученые считают, что стратегии нейростимуляции должны базироваться на компьютерном моделировании реалистичных динамических условий, включая использование методов машинного обучения для калибровки системы и выбора наиболее подходящего шаблона стимуляции.
Развитие более совершенных электродов и технологий позволит в будущем полностью имитировать естественные функции нейронов, что может принести новые открытия в различных областях науки.
Возможность взаимодействия с мозгом через нейростимуляцию проложит путь для множества инноваций и улучшений в медицине и других областях.