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Ein Schritt nach vorn für berührungsempfindliche Prothesen

Die Fähigkeit, Objekte zu halten und zu bewegen, beruht auf sensorischen Signalen, die von der Hand an das Gehirn gesendet werden, eine Fähigkeit, die den Mangel mit den gegenwärtigen Prothesengliedern amputiert. Aber neue Forschungsergebnisse von der Universität von Chicago könnten eines Tages zu berührungsempfindlichen Prothesen führen, die direkt mit dem Gehirn kommunizieren.

Die Forscher, angeführt von Sliman Bensmaia, Assistenzprofessorin in der Abteilung für Organismische Biologie und Anatomie an der Universität von Chicago, glauben, dass ihre Forschung dazu beitragen könnte, sowohl die Geschicklichkeit als auch die Funktion der Roboterglieder zu erhöhen.

Durch Experimente mit Affen identifizierten er und sein Team neuronale Aktivitätsmuster, die auftreten, wenn die Tiere Objekte manipulieren, und dann waren sie in der Lage, diese Muster künstlich nachzubilden.

"Um die sensorische motorische Funktion eines Arms wiederherzustellen", sagt Bensmaia, "müssen Sie nicht nur die motorischen Signale ersetzen, die das Gehirn an den Arm sendet, sondern auch die sensorischen Signale, die der Arm zurücksendet zum Gehirn. "

Er und sein Team glauben, dass sie mit dem, was sie "darüber wissen, wie das Gehirn des intakten Organismus sensorische Informationen verarbeitet", dann "versuchen können, diese neuronalen Aktivitätsmuster durch Stimulation des Gehirns zu reproduzieren".

Die Forschung von Bensmaia und Kollegen ist Teil eines Projekts der DARPA (Revolutionary Prothetics). Ziel des Projekts ist es, eine künstliche obere Extremität zu schaffen, die bei Patienten mit Amputationen eine natürliche motorische Kontrolle und Empfindung ermöglicht.

Die Ergebnisse ihrer Forschung wurden in der Zeitschrift veröffentlicht Proceedings der Nationalen Akademie der Wissenschaften.

Gleiche Wahrnehmung von künstlichen und echten Reizen

Eine Reihe von Experimenten arbeitete mit der Stelle, an der die Haut berührt wurde. Die Forscher trainierten die Affen, um verschiedene Berührungsmuster mit ihren Fingern richtig zu identifizieren.


Die Ergebnisse der Forscher bringen uns näher an berührungsempfindliche künstliche Gliedmaßen, die über eine Schnittstelle zum Gehirn sensorische Informationen an Amputierte übermitteln können. Kredit: PNAS, 2013.

Als nächstes verbanden die Forscher Elektroden mit Bereichen des Gehirns der Affen, die mit jedem Finger korrelierten. Aber dieses Mal, anstatt die Hände zu berühren, schickten Forscher elektrische Impulse zu den spezifischen Bereichen des Gehirns.

Das Team fand heraus, dass die Affen auf die künstliche Stimulation genauso reagierten wie auf die physische Berührung.

In einer anderen Versuchsreihe arbeiteten die Forscher mit dem Druckgefühl, indem sie einen Algorithmus erzeugten, der einen elektrischen Strom erzeugte, der ein Gefühl von Druck erzeugte.

In diesem Fall war die Reaktion der Affen sowohl auf künstliche als auch auf echte Reize die gleiche.

In einer letzten Reihe von Experimenten haben Bensmaia und sein Team das betrachtet, was sie als "Kontakt-Ereignisse" bezeichnen, bei dem die Hand ein Objekt zuerst berührt oder loslässt.

Sie sagen, dass dieser Moment einen Aktivitätsstoß im Gehirn erzeugt, und die Forscher waren wieder einmal in der Lage, diese Bursts im Gehirn mit elektrischer Stimulation künstlich zu erzeugen.

Die Zukunft der Prothesen

Als Ergebnis dieser Experimente sagen Bensmaia und seine Kollegen, dass sie eine Reihe von Anweisungen erstellt haben, die mit einem Roboterprothesenarm verwendet werden könnten, der über eine "neurale Schnittstelle" dem Gehirn eine sensorische Rückmeldung geben könnte.

Dieses Feedback, so glaubt Bensmaia, könnte bedeuten, dass diese Art von Geräten den Tests in klinischen Studien am Menschen näher kommen könnten.

"Die Algorithmen zur Entschlüsselung motorischer Signale sind ziemlich weit fortgeschritten, sodass Sie jetzt Arme mit sieben Freiheitsgraden kontrollieren können", sagt Bensmaia. "Es ist sehr anspruchsvoll."

Er sagt jedoch, es gibt noch viel zu tun:

"Aber ich denke, es gibt ein starkes Argument, dass sie nicht klinisch durchführbar sein werden, bis die sensorische Rückkopplung einbezogen ist. Wenn dies der Fall ist, wird die Funktionalität dieser Gliedmaßen erheblich zunehmen."

Obwohl Amputierte darauf warten müssen, dass diese berührungsempfindlichen Gliedmaßen zur Entfaltung kommen, gab es in den letzten Jahren neue Entwicklungen in der Welt der Prothesen, wie zum Beispiel gedankengesteuerte Roboterarme.

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