Podrabiając matkę naturę
W procesie projektowania i produkcji protez wykorzystuje się zasady rządzące ruchem układu mięśniowego. Proces ten polega na współdziałaniu mechanizmów fizjologicznych z mechanizmami protez oraz z układem sterującym. Taka sztuczna kończyna poprawia oczywiście zdolność ruchową osoby poszkodowanej, jednak nie jest tym samym co normalny, żywy organ. Nawet najdoskonalsze konstrukcje mechaniczne pozostają tylko namiastką utraconej kończyny, głównie ze względu na mniejszą funkcjonalność. Zmienić to ma wykorzystanie elektroniki.
Stal sterowana myślą
W ostatnich latach prowadzone są zaawansowane badania nad stworzeniem protez, które nie musiałyby być kierowane mechanicznie.
Dąży się do tego, by człowiek sam sterował takim sztucznym organem za pomocą własnych myśli. Jak coś takiego ma działać?
Aby to zrozumieć, musimy przyjrzeć się badaniom nad falami mózgowymi. W naszym mózgu zachodzą procesy elektrochemiczne, które odzwierciedlane są w formie impulsów elektrycznych. Impulsy te można zmierzyć za pomocą urządzenia EEG, które podaje nam informacje na temat częstotliwości drgań fal mózgowych – jednostkę tego pomiaru stanowi Hz. Istotną cechą fal jest to, że ich amplituda nie jest stała, lecz bardzo ściśle związana z zadaniami, które wykonujemy.
Rodzaje fal mózgowych
W falach mózgowych, zmierzonych za pomocą elektroencefalografu, wyróżnia się cztery zakresy częstotliwości: alfa, beta, theta oraz delta.
– Fale o częstotliwości od 14 do 30 Hz to fale beta towarzyszące stanowi największej “przytomności” umysłu, człowiek jest wtedy nastawiony na odbiór bodźców zewnętrznych za pomocą zmysłów. Nasz mózg w tym stanie potrafi przetwarzać i analizować dane. Fale beta rejestruje się w płacie czołowym, a ich amplituda nie przekracza 20 mikrowoltów.
– Fale o częstotliwości od 7 do 13 Hz to fale alfa – ten rodzaj fal charakteryzuje stan tuż przed zaśnięciem lub w chwili, gdy się budzimy. Encefalograf zmierzy tę częstotliwość, gdy jesteśmy uspokojeni i odpoczywamy. Gdy nasz umysł znajduje się w tym stanie, łatwiej przyswajamy wiedzę. Fale alfa dominują w mózgach osób medytujących. Rytm alfa pojawia się zazwyczaj, gdy zamkniemy oczy, zanika natomiast, gdy je ponownie otworzymy. Amplituda napięcia wynosi ok. 50 mikrowoltów.
– Fale o częstotliwości od 4 do 7 Hz to fale theta – powstają one wówczas, gdy całkowicie odizolujemy się od bodźców zewnętrznych – jest to stan transu, który pozwala na bardzo głęboką medytację. Ten rytm towarzyszy nam również przez część snu, występuje też w stanach depresji. Amplituda napięcia wynosi ok. 100 mikrowoltów.
-Fale o częstotliwości od 0,5 do 4 Hz, zwane delta, typowe są dla stanu nieświadomości, np. głębokiego snu. Wówczas nic nam się nie śni, a organizm się regeneruje. Amplituda napięcia przekracza 100 mikrowoltów.
Jak zatem za pomocą myśli człowiek jest w stanie sterować ruchami protezy? Kontrolując i odpowiednio modulując fale mózgowe, które następnie odczytywane są przez czujnik przekładający te sygnały na polecenia dla protezy.
Jak dowodzą badania, opanowanie tego procesu przez człowieka, choć możliwe, nie jest łatwym zadaniem. Niektórym ludziom generowanie odpowiednich fal mózgowych przychodzi łatwiej, inni natomiast potrzebują bardzo dużo czasu, by to opanować. Wielu osobom nie udaje się zapanować nad tym procesem w ogóle.
Małpa wprawia w ruch robota
Dr Miguel Nicolelis z Duke University przeprowadził badanie, w którym za pomocą fal mózgowych małpy udało się wprawiać w ruch ramię robota. W mózgu zwierzęcia umieszczono specjalne mikroelektrody. Gdy małpa poruszała ręką, jej fale mózgowe przesyłane do robota powodowały u niego podobny ruch ramienia.
Skoro badania te zakończyły się sukcesem w przypadku małp, postanowiono skonstruować protezy sterowane falami mózgowymi, które umożliwią osobom kalekim, w tym sparaliżowanym, samodzielne poruszanie się i wykonywanie różnych czynności.
Peter Fromherz z Instytutu Biochemii Maksa Plancka w Monachium stworzył układ neuroelektroniczny, w którym obwody półprzewodnika zostały sprzężone z komórkami mózgu ślimaka. Neurony i łączące je włókna nerwowe sąsiadują z połączeniami elektronicznymi. Te dwa obwody zostały tak skonstruowane, aby pośredniczyły w komunikacji – pole elektryczne wzbudzone w tranzystorze wyzwala reakcje chemiczne, za pośrednictwem których porozumiewają się komórki nerwowe w żywym organizmie. I odwrotnie – pod wpływem zmian zachodzących w neuronach zmienia się napięcie w tranzystorze. Tak miałby funkcjonować interfejs tłumaczący dane między układami elektronicznymi a komórkami nerwowymi.
