В глазах многих экзоскелеты все еще являются, скорее, атрибутами научной фантастики. Однако эти устройства прямо сейчас входят в жизнь людей куда активнее, чем это может показаться. Создаются специальные модели для грузчиков, рабочих, пожарных. И отдельно существует множество разработок для пациентов, у которых есть сложности с движением после перенесенных травм или болезней. Над одним из таких экзоскелетов сейчас работают в Петербурге — его предполагается использовать для реабилитации людей, перенесших инсульт. Редактор новостного отдела «Собака.ru» Константин Крылов лично принял участие в испытаниях устройства, чтобы рассказать, как оно работает.
Задумывались ли вы когда-то о том, как устроен процесс ходьбы? Какие именно действия нужно совершить вашим мышцам и сухожилиям, чтобы сделать шаг правой ногой, а потом левой? Скорее всего, нет. Обычно людям это и не нужно, ведь наша нервная система контролирует эти процессы, что называется, в автоматическом режиме, освобождая ресурс для более увлекательных вопросов, к примеру, куда можно зайти сегодня вечером.
Однако бывает так, что мозг перестает справляться с этой задачей. Одна из причин — инсульт. Нередко во время него оказывается поврежден тот участок мозга, где, грубо говоря, «записана» информация о том, как нужно ходить. В результате человек теряет возможность передвигаться самостоятельно, некоторые медицинские ресурсы говорят, что с этим сталкиваются около 20% перенесших инсульт.
Поколения врачей и ученых-физиологов пытаются придумать способы помочь людям, оказавшимся в такой ситуации. Они стараются найти наиболее эффективный способ, чтобы буквально заново научить человека ходить. Среди тех, кто занимается этой проблемой, есть и команда исследователей Института физиологии им. И. П. Павлова РАН. Они решили использовать для этого экзоскелет, причем управляемый буквально силой мысли.
«Это увеличивает объем серого вещества»
В своих попытках вернуть подвижность людям, которые перенесли инсульт, ученые из разных научных команд прибегали ко многим средствам. Так, эксперименты показывали, что легкая электростимуляция мозга ускоряет этот процесс. Другие исследователи использовали экзоскелеты — по сути, механические ботинки и перчатки, которые заставляли парализованную конечность двигаться. К этому же средству прибегали и для помощи пациентам с ДЦП.
Ученые Института физиологии им. И.П. Павлова РАН решили создать тренажер, который совмещал бы и электростимуляцию, и экзоскелет для ног, и специальный нейроинтерфейс, с помощью которого пациент будет управлять тренажером.
Как это работает: во время данной процедуры на пациента надевают энцефалограф — специальное устройство, которое считывает активность мозга. На спине его закрепляются электроды, модулирующие передачу нервных импульсов к ногам. После этого человек садится в кресло, его ступни закрепляются в роботизированных ботинках.
Дальше человека просят представить процесс ходьбы. Буквально вспомнить ощущения от той самой работы мышц и сухожилий. Если у человека это получается, то экзоскелет, начинает двигать его ногами, а электроды на спине принимаются за «электромассаж» спинного мозга. Таким образом, мозгу сразу по нескольким каналам напоминают, как он должен себя вести, чтобы человек мог идти.
Варвара Решетникова
Один из авторов проекта, научный сотрудник лаборатории физиологии движений Института физиологии РАН:
Выражаясь научным языком, это замыкает сенсорно-моторную петлю. Проще говоря, человек воображает, что хочет произвести какое-то движение ногой, и в мышцы поступает слабый поток информации об этом. Он недостаточен, чтобы произвести движение, но он есть. Дальше в мозг поступает обратная связь в виде электростимуляции и движения, выполненного с помощью экзоскелета. Если такие тренировки проходит человек, у которого в результате инсульта поврежден [отвечающий за передвижение ног] участок моторной коры, то соседние участки мозга могут взять на себя эту функцию.
Исследования реабилитации пациентов отдельно с помощью механического сгибания и разгибания конечностей, а также с помощью нейростимуляции показывают, что такое возможно. Это увеличивает объем серого вещества. Совмещение механического сгибания и разгибания с электростимуляцией должно дать еще лучший эффект.
«Лишь одной девушке удалось вообразить все движения на 100%»
Сейчас устройство проходит доклинические испытания. Пока ученые оценивают безопасность и эффективность этой технологии на здоровых добровольцах, одним из которых оказался я. «Нам важно понять, как работает нервная система во время воображения движения, — объясняет Варвара Решетникова, — это фундаментальный для нас вопрос. Именно поэтому сейчас мы берем здоровых испытуемых в молодом возрасте, когда их нервная система находится в самом расцвете сил. Это позволяет нам четче проследить активность головного мозга и реакцию мышц».
Счастливый, что моя нервная система, видимо, находиться в самом расцвете сил, я начал облачаться в энцефалограф — резиновую шапочку с электродами, которые должны через кожу считывать активность мозга. На экране появляется затейливый узор графиков, отображающий в реальном времени процессы в моем мозге. Стоит поморщиться или закрыть глаза, как график сразу же меняется. Впрочем, увидеть, о чем я думаю, на этом графике нельзя, успокаивают меня перед испытаниями.
Сам процесс происходит в кресле, у которого установлены механические ботинки. Перед креслом специальный экран. Когда мои ноги оказываются в экзоскелете, меня просят посмотреть на экран. Принцип работы простой: если на экране загорается левая стрелка, надо двигать левой конечностью, если правая — правой. Когда на экране загорается вертикальная стрелка, то необходимо вернуться в состояние покоя.
Сначала, впрочем, меня просят подвигать не ногами, а руками. Так исторически сложилось, что больше исследований связаны с реабилитацией верхних конечностей, поэтому данные о том, как я работаю ими, также важны для эксперимента. После этого меня просят ничем не двигать, а представить, как я сжимаю и разжимаю пальцы — сначала левой руки, потом правой. Не картинку, а именно ощущение. При этом на экран выводится индикатор того, насколько хорошо у меня это получается. Чем лучше я справляюсь с поставленной задачей, тем больше зеленый кружок в центре монитора. Судя по всему, нейроинтерфейс не очень доволен моими усилиями — как правило, кружок едва достигает половины своего возможного размера.
Дальше переходим к ногам, здесь процесс выглядит немного иначе. Сначала я двигаю своей ногой в экзоскелете сам, потом представляю себе движение, наблюдая за тем, как растет или сужается кружок на экране. После чего добавляется третий этап — я вновь представляю себе движение, а экзоскелет двигает моей ногой в зависимости от того, насколько хорошо я воображаю действия мышц. И вновь кружок изредка достигает половины своего размера, а механический ботинок едва двигает мою ногу. «Давно известно, что кто-то управляет нейроинтерфейсами лучше, кто-то хуже. И до сих пор никто в мире не знает почему, — рассказывает Варвара Решетникова. – Все команды, работающие в этом направлении, пытаются понять, в чем причина. За всю историю наших испытаний лишь одной девушке удалось вообразить все движения на 100%».
«Вы старались вообразить действия»
При этом чем дальше, тем больше я замечал, что левый экзоботинок слушается меня лучше, чем правый. Оказывается, этому есть научное обоснование. «Предположительно, причина этого в том, что разные полушария отвечают у нас за разные функции, — поясняет Варвара Решетникова. — Левое полушарие, управляющее правой рукой и ногой, отвечает за быстрые движения без учета обратных связей. А правое, наоборот. Оно связано с левой рукой и ногой и при этом отвечает за кинестетическое воображение, то есть за осознанное действие с учетом обратных сигналов. Вы старались вообразить действия, лучше это удавалось именно правому полушарию, а следовательно, и связанным с ним конечностям».
Однако под конец двухчасового эксперимента мне в целом удалось приспособиться к нейроинтерфейсу (или ему ко мне). Последнее движение — шаги на месте — мне даже удалось делать легко и без запинки. На секунду даже показалось, что машина вовсе не зависит от моих усилий, и в этот же момент ноги встали как вкопанные. Я потерял концентрацию и экзоскелет не желал делать ни одного движения. Несмотря на то, что это был эксперимент, что я в любой момент мог перестать воображать движения ногой и просто начать двигаться сам, меня охватила легкая паника. Наверное, с чем-то подобным (но во много раз сильнее) сталкивается человек, который действительно не может пошевелить ногой после травмы или болезни. Однако через некоторое время мне удалось взять себя в руки и сделать несколько последних шагов.
Впрочем, позднее я узнал, что даже если бы это мне не удалось, все равно важная информация была бы получена. Тем более что некоторые пациенты, вероятно, тоже не смогут полностью совладать с устройством, но эффективность реабилитации это, предположительно, не снизит. «Около 30% людей, согласно данным в научной литературе, вообще не могут управлять нейроинтерфейсами, — говорит Варвара Решентникова, — но это не влияет на реабилитацию. Для нас главное не столько само успешное управление, сколько концентрация человека. Пациенту не просто двигают ноги, пока он сидит и думает о том, как бы скорее пойти домой, он вовлечен, его нейронные сети работают, а это должно ускорять процесс восстановления».
Теперь ученым предстоит обработать полученные с моим участием (а также с участием пяти десятков других добровольцев) данные. А где-то через год тренажер может быть испытан на первых пациентах.
Комментарии (0)