Попробуйте набрать текст в толстых перчатках. Или поднять хрупкий стакан с водой, не чувствуя пальцами, насколько сильно вы его сжимаете. Теперь представьте, что так живёт человек с протезом руки — каждый день, каждую минуту.
Учёные из Чикагского университета опубликовали результаты работы, которая меняет правила игры. Они научились создавать искусственное осязание через электрическую стимуляцию мозга. Участники экспериментов различают буквы алфавита, «нарисованные» электродами на кончиках пальцев. Могут удержать руль автомобиля, когда он начинает проскальзывать. Чувствуют движение по коже.
Оглавление
Проблема, о которой не думают люди со здоровыми руками
«Большинство не понимают, как часто мы полагаемся на осязание вместо зрения — когда печатаем, ходим, берём хлипкий стакан с водой», — говорит Чарльз Гринспон, нейробиолог Чикагского университета. «Если не можешь чувствовать, приходится постоянно смотреть на руку. И всё равно рискуешь пролить, раздавить или уронить».
Современные протезы рук управляются мыслью — человек думает о движении, и рука двигается. Это работает, но есть огромная проблема. Нет обратной связи. Взял яйцо — не знаешь, давишь его или оно вот-вот выскользнет. Держишь чашку кофе — можешь раздавить её или пролить содержимое.
Последние десять лет исследователи пытались решить это через стимуляцию той части мозга, которая отвечает за осязание. Результаты были, но слабые.
«Мы могли вызвать ощущение, что ты касаешься чего-то, но это был сигнал включено-выключено, часто слабый, и было трудно понять, где именно на руке произошёл контакт», — объясняет Гринспон.
Две новые работы — в журналах Nature Biomedical Engineering (декабрь 2024) и Science (январь 2025) — показывают, что теперь можно гораздо больше.
Как это работает
В мозг человека вживляют крошечные массивы электродов — в ту область коры, которая отвечает за ощущения от руки. Датчики на бионической руке улавливают прикосновение к предметам. Эта информация передаётся в мозг через электрические импульсы.
Звучит просто. Но дьявол в деталях.
Первая проблема — стабильность. Если электрод сегодня создаёт ощущение прикосновения к большому пальцу, а завтра — к указательному, система бесполезна. Человек не сможет ей довериться.
«Если я стимулирую электрод в первый день, и участник чувствует прикосновение к большому пальцу, мы можем проверить тот же электрод на 100-й день, на 1000-й, даже через много лет — и они всё ещё чувствуют это примерно в том же месте», — говорит Гринспон, ведущий автор исследования в Nature Biomedical Engineering.
Это критично. Любое клиническое устройство должно быть достаточно стабильным, чтобы пациент мог положиться на него в повседневной жизни.
Вторая проблема — точность. Недостаточно просто чувствовать «что-то где-то на руке». Нужно точно знать: это большой палец или мизинец, сильное давление или лёгкое касание.
Исследователи создали детальные «карты» областей мозга, которые соответствуют конкретным частям руки. Оказалось, что когда стимулируют два близко расположенных электрода одновременно, участник чувствует более сильное, чёткое прикосновение. Это улучшает способность определять место и силу давления.
Движение и формы
Вторая работа, опубликованная в Science, пошла дальше. Её возглавил Джакомо Валле, бывший постдок из Чикаго, который сейчас продолжает исследования бионики в Технологическом университете Чалмерса в Швеции.
Проблема в том, что два электрода рядом в мозге создают ощущения, которые не укладываются аккуратными кусочками на карте руки. Они перекрываются.
Исследователи решили использовать это. Они выбрали пары или группы электродов, чьи «зоны прикосновения» перекрываются, и активировали их в тщательно продуманных паттернах. Цель — создать ощущение движения по коже.
Получилось.
Участники описывали, что чувствуют лёгкое скользящее прикосновение, плавно проходящее по пальцам — хотя стимуляция подавалась маленькими дискретными шагами. Мозг сам «заполнял пробелы» и интерпретировал сигналы как связное, движущееся ощущение.
Более того, участники иногда могли различить буквы алфавита, электрически «начерченные» на кончиках пальцев. Могли использовать бионическую руку, чтобы удержать руль автомобиля, когда он начинал проскальзывать.
Это уже не просто «включено-выключено». Это сложная, адаптивная обратная связь, приближающаяся к естественному осязанию.
Кто стоит за исследованием
Работу вели совместно учёные из нескольких университетов: Чикаго, Питтсбурга, Северо-Западного университета, Университета Кейс Вестерн Резерв и компании Blackrock Neurotech. Годы сотрудничества, десятки исследователей.
С чикагской стороны проект долго возглавлял нейробиолог Слиман Бенсмайя — ведущий эксперт по нейробиологии осязания. Он неожиданно умер в 2023 году. Новые работы вышли уже после его смерти, но несут на себе отпечаток его идей.
«Мы все заботимся о людях в нашей жизни, которые получили травму и потеряли возможность использовать конечность — это исследование для них», — говорит Гринспон.
Что дальше
Роберт Гаунт, доцент кафедры физической медицины и реабилитации в Университете Питтсбурга, один из соавторов исследования:
«Мы надеемся интегрировать результаты этих двух работ в наши робототехнические системы, где мы уже показали, что даже простые стратегии стимуляции могут улучшить способность людей управлять роботизированными руками с помощью мозга».
По мере совершенствования конструкции электродов и хирургических методов покрытие руки станет ещё более детальным. Это позволит создать обратную связь, ещё более близкую к естественной.
Гринспон подчёркивает, что мотивация за этой работой — повысить независимость и качество жизни людей с потерей конечностей или параличом.
«Это передний край восстановительной нейротехнологии, и мы работаем над тем, чтобы расширить подход на другие области мозга», — добавляет он.
Не только руки
Подход применим не только к протезам конечностей. Группа сотрудничает с хирургами и акушерами Чикагского университета над проектом Bionic Breast — имплантируемым устройством, которое может восстановить осязание после мастэктомии.
Для женщин, переживших рак молочной железы, потеря чувствительности в области груди — серьёзная психологическая травма. Возможность восстановить осязание может изменить восприятие собственного тела.
Реальность на сегодня
Важно понимать границы. Это пока не коммерческий продукт. Технология требует нейрохирургического вмешательства — вживления электродных массивов в мозг. Это серьёзная операция с рисками.
Количество участников исследования невелико — речь идёт о нескольких людях, которые годами работают с исследователями. Путь от клинических экспериментов до массового применения может занять годы.
Но направление понятно. Каждая новая работа приближает момент, когда протез перестанет быть просто функциональным инструментом и станет способом по-настоящему ощущать мир.
Два ключевых прорыва
Первый (Nature Biomedical Engineering): Искусственные ощущения прикосновения стабильны, точно локализованы и достаточно сильны для повседневных задач. Один и тот же электрод создаёт ощущение в одном и том же месте годами. Стимуляция двух соседних электродов даёт более чёткое, сильное ощущение.
Второй (Science): Последовательная активация перекрывающихся зон создаёт ощущение движения по коже. Участники различают буквы, «нарисованные» на пальцах. Могут реагировать на проскальзывание предметов в руке.
Вместе эти две работы показывают: искусственное осязание через стимуляцию мозга переходит из разряда «может быть когда-нибудь» в разряд «работает прямо сейчас, надо делать лучше».
Источники:
Публикация 1: «Evoking stable and precise tactile sensations via multi-electrode intracortical microstimulation of the somatosensory cortex.» Greenspon et al, Nature Biomedical Engineering, 6 декабря 2024.
Публикация 2: «Tactile edges and motion via patterned microstimulation of the human somatosensory cortex.» Valle et al, Science, 16 января 2025.
Финансирование: National Institutes of Health, Veterans Affairs
Организации: Чикагский университет, Университет Питтсбурга, Северо-Западный университет, Университет Кейс Вестерн Резерв, Blackrock Neurotech
