Иллюзия резиновой руки превратила протезы в часть тела

Collins et al. 2016

Американские и шведские исследователи показали, что применение иллюзии резиновой руки в сочетании с электростимуляцией соматосенсорной коры головного мозга позволяет создать у испытуемых ощущение того, что искусственная рука является частью их тела. Статья опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

В последнее время исследователи постоянно расширяют функциональность протезов конечностей: уже созданы бионические протезы, обеспечивающие не только двигательный контроль, но и осязание за счет связи между сенсорами в искусственной конечности и электродами, имплантированными в мозг. Однако до сих пор ученым не удавалось создать у владельцев искусственных рук ощущение, что протез является частью их тела, а не инородным предметом. Сделать это сложно, в частности, потому, что большинство экспериментальных интерфейсов, обеспечивающих чувствительность руке-протезу, подключаются к периферическим нервам. В процессе тренировки их стимуляция приводит к формированию новых нейрональных связей в мозге, которые переводят сигналы от датчиков протеза в тактильные ощущения. Однако такие интерфейсы требуют ненарушенной связи периферических нервов с корой мозга и поэтому не подходят пациентам с травмами спинного мозга или нейродегенеративными заболеваниями.

Авторы новой статьи решили использовать электростимуляцию соматосенсорной коры мозга в сочетании с иллюзией резиновой руки, чтобы создать у владельцев протезов ощущение обладания настоящей рукой в обход периферических нервов. Классический эксперимент, демонстрирующий иллюзию резиновой руки, был описан в 1998 году. В этом эксперименте одну руку испытуемого прятали за экран, оставляя на виду «замещающую» ее резиновую руку. При синхронных прикосновениях к обеим рукам — резиновой и настоящей — у добровольца возникало ощущение, что резиновая рука принадлежит ему, а тактильные ощущения локализованы именно в ней. Интересно, что эта иллюзия сохраняется даже при использовании вместо резиновой руки других предметов — например, смартфона.

В испытаниях, описанных в новой статье, участвовали два добровольца с эпилепсией, которым для выявления очагов эпилептической активности в мозге было назначено электрокортикографическое картирование мозга, требующее подведения электродов непосредственно к коре мозга. Электроды были имплантированы в соматосенсорную кору: у одного пациента в представительство (участок, отвечающий за чувствительность) правой руки, а у другого — в представительство левой руки.

Настоящую руку испытуемых закрывали от них экраном, а вместо нее на столик перед ними клали искусственную резиновую руку — таким образом, чтобы они хорошо ее видели. Электрогенерирующее устройство прикасалось к этой резиновой руке специальным щупом и одновременно с каждым прикосновением генерировало электрический импульс, стимулирующий представительство соответствующих участков руки в соматосенсорной коре. Добровольцев при этом просили рассказать, насколько они ощущают резиновую руку как свою собственную, а также локализовать прикосновения к ней.

Оказалось, что испытуемые без труда локализовали прикосновения с точностью до фаланги пальца. При этом оба добровольца описывали ощущения, которые вызывает у них стимуляция соматосенсорной коры, как «неестественные» и непохожие на что-либо испытанное ими прежде. Так, один испытуемый описал свои ощущения как напоминающие вибрацию, а другой — как похожие на легкое давление. Несмотря на это, оба добровольца сообщили, что ощущают резиновую руку как свою собственную.

Интересно, что иллюзия «своей» руки сохранялась только в том случае, когда прикосновения к ней были синхронизированы с электрическими импульсами, стимулирующими соматосенсорную кору. Когда электрические импульсы генерировались с опозданием, эта иллюзия исчезала. Также она пропадала, если исследователи стимулировали участки соматосенсорной коры, отвечающие не за руки, а за другие части тела. Это говорит о том, что для ощущения искусственной руки как своей собственной необходимо одновременное сочетание визуального стимула (испытуемый видит, как устройство прикасается к резиновой руке) со стимуляцией соответствующего участка соматосенсорной коры. Как заключают авторы, полученные результаты подтверждают, что с помощью электростимуляции мозга можно создавать у владельцев протезов ощущение того, что искусственная рука является частью их тела.

Недавно американские ученые разработали нейроинтерфейс, который позволил полностью парализованному человеку осязать предметы с помощью протеза. Работа этого интерфейса, подключенного к датчикам на протезе, также основана на непосредственной стимуляции соматосенсорной коры в обход периферических нервов и обеспечивает ощущения, близкие к ествественным.

Софья Долотовская