Обман чувств
Протез ноги с биологической обратной связью показался легче
Елизавета Ивтушок, N+1
Швейцарские ученые выяснили, что настройка биологической обратной связи в протезе ноги делает его субъективно легче по весу, что также улучшает и опыт ношения. Для этого они попросили добровольца с ампутированной выше колена ногой пройтись в протезе с подключенными к электродам в большеберцовом нерве сенсорами и без них. После ходьбы с включенной биологической обратной связью протез казался участнику легче примерно на полкило, а также с ним ему легче было выполнять задание с когнитивной нагрузкой: одновременно ходить и проговаривать слова в обратном порядке. Статья опубликована журнале Current Biology (Preatoni et al., Lightening the Perceived Prosthesis Weight with Neural Embodiment Promoted by Sensory Feedback).
Чтобы протез был как можно больше похож на потерянную конечность, в нем необходимо настроить биологическую обратную связь – то есть не только научить человека управлять ей, но и чувствовать. Особое внимание исследователи уделяют обратной связи в протезах рук: сенсоры на них совмещают с электродами, которые прикрепляют к оставшимся конечностям или вживляют в них так, чтобы можно было стимулировать периферийные нервы и вернуть – хоты бы частично – потерянную чувствительность уже в протезе.
В разработке протезов ног обратной связи уделяют чуть меньше внимания, так как главная задача в их разработке – научить, подобно обычной ноге, ходить, обходить препятствия и держать равновесие. При этом обратная связь протезов ноги все же остается важной для улучшения его работы и ощущений того, кто их носит. В частности, она могла бы помочь решить проблему субъективной тяжести протеза: около 70 процентов пользователей протезов ноги выше колена жалуются на то, что устройство кажется им слишком тяжелым – даже несмотря на то, что обычно они в два раза легче их здоровой ноги.
Проверить это решил Станиса Распопович (Stanisa Raspopovic) из Швейцарской высшей технической школы Цюриха: команда под его руководством уже несколько лет разрабатывает протезы ноги выше колена с биологической обратной связью. В частности, они используют стимуляцию большеберцового нерва через вживленные электроды совместно с датчиками давления в области пятки и акселерометров в области колена протеза: это позволяет пользователю ощущать то, как он сгибает протез и наступает им на землю.
В 2019 году Распопович и его коллеги уже показывали, что биологическая обратная связь уменьшает фантомные боли в ноге, увеличивает скорость ходьбы и в целом улучшает весь опыт ношения протеза. Сейчас они провели эксперимент с участием одного пользователя их протеза: его попросили пройтись в течение десяти минут либо с включенной биологической обратной связью в колене и пятке, либо с выключенной.
До прогулки участника усаживали на край койки так, чтобы обе ноги – и с протезом, и здоровая – свисали ниже колена: протезом просили не двигать, чтобы биологическая обратная связь не работала. Далее участнику закрывали глаза повязкой, а на здоровую ногу надевали гимнастические утяжелители разного веса и просили оценить, при каком утяжелении здоровой ноги обе кажутся одинаковыми по весу. Несмотря на то, что протез был легче здоровой ноги участника, равными по субъективному ощущению веса он считал протез и здоровую ногу с утяжелителем весом в два килограмма.
После прогулки с включенной и выключенной обратной связью участнику вновь надевали утяжелители на здоровую ногу – на этот раз разные, весом от 0,5 до 3,5 килограмма. Ученые выяснили, что после прогулки с биологической обратной связью в протезе необходимый для уравнивания веса утяжелитель здоровой ноги оказался легче на 23 процента – примерно на полкило. Также участнику удалось увеличить скорость ходьбы, а его субъективное ощущение протеза как родной конечности выросло на 60,5 процента.
Далее участнику дали дополнительное задание – на этот раз с когнитивной нагрузкой: во время ходьбы его просили произнести несколько слов в обратном порядке. При включенной биологической обратной связи скорость участника при выполнении задания не снижалась (в отличие от условия без обратной связи), а также он делал на 20 процентов меньше ошибок в произношении.
В целом, ученые в очередной раз показали важность настройки биологической обратной связи для улучшения опыта ношения протеза ноги: с включенными в области стопы и колена сенсорами протез казался легче, а также с ним оказалось намного проще одновременно ходить и выполнять задачу с дополнительной когнитивной нагрузкой.
Восстановление биологической обратной связи конечностей в протезах не обходится без ограничений, и одно из них, как недавно выяснили ученые, заключается в том, что сенсорные ответы человеческого тела довольно консервативны: даже при длительном ношении протеза руки чувствительность одного места нельзя перенести на другое.
Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru