Liefde in protheses

Hagedissen kunnen regenereren nadat ze hun staart hebben verloren, en krabben kunnen regenereren nadat ze hun poten hebben verloren, maar vergeleken met deze schijnbaar "primitieve" dieren, hebben mensen veel van het vermogen om te regenereren verloren in de loop van de evolutie. Het vermogen om ledematen te regenereren bij volwassenen is bijna nul, met uitzondering van baby's die kunnen regenereren wanneer ze hun vingertoppen verliezen. Als gevolg hiervan kan de kwaliteit van leven van degenen die ledematen verliezen als gevolg van een ongeval of ziekte sterk worden beïnvloed, en het vinden van biologische vervanging is een belangrijke optie geweest voor artsen om het leven van geamputeerden te verbeteren.

Al in het oude Egypte zijn er gegevens over kunstmatige ledematen. In Conan Doyle's "The Sign of the Four" staat ook een beschrijving van een moordenaar die prothetische ledematen gebruikt om mensen te doden.

Dergelijke protheses bieden echter eenvoudige ondersteuning, maar zullen de levenservaring van een geamputeerde waarschijnlijk niet significant verbeteren. Een goede prothese moet signalen in beide richtingen kunnen sturen: enerzijds kan de patiënt de prothese autonoom besturen; Aan de andere kant zou een prothetisch ledemaat in staat moeten zijn om sensaties naar de sensorische cortex van de hersenen van de patiënt te sturen, net als een natuurlijk ledemaat met zenuwen, waardoor ze een tastzintuig krijgen.

Eerdere studies waren gericht op het decoderen van hersencodes om proefpersonen (apen en mensen) in staat te stellen robotarmen met hun geest te besturen. Maar het is ook belangrijk om de prothese zin te geven. Een ogenschijnlijk eenvoudig proces zoals grijpen omvat complexe feedback, omdat we onbewust de kracht van onze vingers aanpassen aan hoe onze handen aanvoelen, zodat we dingen niet wegglijden of te hard knijpen. Voorheen moesten patiënten met handprothesen op hun ogen vertrouwen om de sterkte van objecten te bepalen. Het kost veel aandacht en energie om dingen te doen die we on-the-fly kunnen doen, maar zelfs dan breken ze vaak dingen af.

In 2011 voerde Duke University een reeks experimenten uit op apen. Ze lieten apen hun geest gebruiken om virtuele robotarmen te manipuleren om objecten van verschillende materialen te grijpen. De virtuele arm stuurde verschillende signalen naar de hersenen van de aap toen hij verschillende materialen tegenkwam. Na de training konden de apen een bepaald materiaal correct uitkiezen en een voedselbeloning ontvangen. Dit is niet alleen een voorlopige demonstratie van de mogelijkheid om protheses tastzin te geven, maar het suggereert ook dat apen de tactiele signalen die door de hersenen van de prothese worden verzonden, kunnen integreren met de motorische signalen die door de hersenen naar de prothese worden gestuurd, waardoor een volledig bereik van feedback van aanraking tot sensatie om armselectie te regelen op basis van sensatie.

Het experiment, hoewel goed, was puur neurobiologisch en er was geen echte prothetische ledemaat bij betrokken. En daarvoor moet je neurobiologie en elektrotechniek combineren. In januari en februari van dit jaar publiceerden twee universiteiten in Zwitserland en de Verenigde Staten onafhankelijk van elkaar dezelfde methode om sensorische protheses aan experimentele patiënten te bevestigen.

In februari rapporteerden wetenschappers van de Ecole Polytechnique in Lausanne, Zwitserland, en andere instellingen, over hun onderzoek in een paper gepubliceerd in Science Translational Medicine. Ze gaven een 36-jarige proefpersoon, Dennis Aabo S? Rensen, met 20 sensorische plekken in de robothand die verschillende sensaties produceren.

Het hele proces is ingewikkeld. Eerst implanteerden artsen in het Gimili-ziekenhuis in Rome elektroden in de twee armzenuwen van Sorensen, de mediane en ulnaire zenuwen. De nervus ulnaris bestuurt de pink, terwijl de medianuszenuw de wijsvinger en duim bestuurt. Nadat de elektroden waren geïmplanteerd, stimuleerden artsen de mediane en ulnaire zenuwen van Sorensen kunstmatig, waardoor hij iets kreeg wat hij al lang niet meer had gevoeld: hij voelde zijn ontbrekende hand bewegen. Wat betekent dat er niets mis is met het zenuwstelsel van Sorensen.

Wetenschappers van de Ecol Polytechnique in Lausanne bevestigden vervolgens sensoren aan de robothand die elektrische signalen konden verzenden op basis van omstandigheden zoals druk. Ten slotte verbonden de onderzoekers de robotarm met de afgehakte arm van Sorensen. Sensoren in de robothand nemen de plaats in van sensorische neuronen in de menselijke hand, en elektroden die in de zenuwen worden ingebracht, vervangen de zenuwen die elektrische signalen in de verloren arm kunnen verzenden.

Na het opzetten en debuggen van de apparatuur voerden de onderzoekers een reeks tests uit. Om andere afleiding te voorkomen, blinddoekten ze Sorensen, bedekten zijn oren en lieten hem alleen aanraken met de robothand. Ze ontdekten dat Sorensen niet alleen de hardheid en vorm van de voorwerpen die hij aanraakte kon beoordelen, maar ook onderscheid kon maken tussen verschillende materialen, zoals houten voorwerpen en stof. Bovendien zijn de manipulator en het brein van Sorensen goed gecoördineerd en reageren ze goed. Zo kan hij snel zijn kracht aanpassen als hij iets oppakt en stabiel houdt. "Het verraste me omdat ik PLOTSELING iets kon voelen DAT ik de afgelopen negen jaar niet had gevoeld", zei Sorensen in een video van de Ecole Polytechnique in Lausanne. "Toen ik mijn arm bewoog, kon ik voelen wat ik aan het doen was in plaats van te kijken wat ik aan het doen was."

Een soortgelijk onderzoek is gedaan aan de Case Western Reserve University in de Verenigde Staten. Hun onderwerp was Igor Spetic, 48, uit Madison, Ohio. Hij verloor zijn rechterhand toen er een hamer op hem viel tijdens het maken van aluminium onderdelen voor straalmotoren.

De techniek die wordt gebruikt door de onderzoekers van Case Western Reserve University is ongeveer dezelfde als de techniek die wordt gebruikt bij ECOLE Polytechnique in Lausanne, met één belangrijk verschil. De elektroden die aan de Ecole Polytechnique in Lausanne werden gebruikt, doorboorden de neuronen in de arm van Sorensen tot in het axon; De elektroden van de Case Western Reserve University dringen het neuron niet binnen, maar omringen het oppervlak ervan. De eerste kan preciezere signalen produceren, waardoor patiënten complexere en genuanceerdere gevoelens krijgen.

Maar dit heeft potentiële risico's voor zowel de elektroden als de neuronen. Sommige wetenschappers maken zich zorgen dat de invasieve elektroden chronische bijwerkingen op de neuronen zouden kunnen veroorzaken en dat de elektroden minder duurzaam zouden zijn. De onderzoekers van beide instellingen zijn er echter van overtuigd dat ze de zwakke punten van hun aanpak kunnen overwinnen. De Spiderdick produceert ook een vrij nauwkeurig gevoel van scheiding van schuurpapier, wattenbolletjes en haar. De onderzoekers van de Ecole Polytechnique in Lausanne zeiden echter dat ze zeker waren van de duurzaamheid en stabiliteit van hun invasieve elektrode, die bij ratten negen tot twaalf maanden aanhield.

Toch is het nog te vroeg om dit onderzoek op de markt te brengen. Naast duurzaamheid en veiligheid is het gemak van sensorische protheses nog lang niet genoeg. Sorenson en Specdick bleven in het lab terwijl de protheses werden aangebracht. Hun handen, met veel draden en gadgets, lijken in niets op de bionische ledematen van sciencefiction. Silvestro Micera, een professor aan de Ecole Polytechnique in Lausanne die aan het onderzoek werkte, zei dat het nog enkele jaren zou duren voordat de eerste sensorische protheses, die er net zo normaal uitzien, het laboratorium zouden kunnen verlaten.

"Ik ben opgewonden om te zien wat ze aan het doen zijn. Ik hoop dat het anderen helpt. Ik weet dat wetenschap lang duurt. Als ik het nu niet kan gebruiken, maar de volgende persoon kan het, dat is geweldig."

news

Posttijd: 14 aug-2021