Hvordan kan du oppleve berøring med en kunstig hånd?

Når vi opplever berøringsfølelsen - for eksempel berøringen av klærne dine mot kroppen din eller det kalde gulvet under føttene - opplever vi denne følelsen som noe som skjer med kroppen vår. Fordi disse følelsene føles så forbundet med bestemte kroppsdeler, er det lett å tro at berøringssansen vår er helt avhengig av kroppen.

Tilsynelatende flyr i møte med denne ideen, har imidlertid forskere ved University of Pittsburgh Medical Center nylig designet en robotarm med en alvorlig forskjell: Den lar brukeren føle berøring påført robotfingrene.

Men hvordan kan dette være? Hvordan kan du føle en følelse som kommer fra et par robotfinger - fingre som ikke er koblet til kroppen din?

For å forstå dette, må vi vite mer om hvordan vi opplever berøring.

Den "lille mannen" i hjernen vår

Når du begynner helt nederst, når et objekt kommer i kontakt med fingeren din, aktiveres dette spesialiserte celler under overflaten av huden din, kalt mechanoreceptors. Disse cellene aktiveres mekanisk — det vil si at trykk fra kontakt med huden deformerer cellens ytre membran. Dette starter en impuls som sporer opp armen, gjennom ryggraden og til hjernen.

Den delen av hjernen som mottar og behandler denne inngangen, kalles somatosensorisk cortex. Dette området er et av de mest fascinerende stedene i hjernen (selv om jeg innrømmer at jeg kan ha noen skjevhet, da dette er området jeg forsker på). Årsaken til at den er så interessant er dens fantastiske organisasjon, som består av et mangfold av små segmenter, som hver representerer en egen del av kroppen.

Disse segmentene er høyt organisert. De er lagt ut i utgangspunktet på samme måte i hjernen som de er på kroppen, og danner en liten "person" når de visualiseres, med føttene øverst i hodebunnen og ansiktet nederst.

Denne lille mannen i hjernen og hvordan han ble oppdaget, gir oss vår første anelse om hvordan du kan føle deg uten kropp.

Dr. Penfield og 'Montreal-teknikken'

På 1940-tallet utførte en lege som heter Wilder Penfield og teamet hans noen ganske intense operasjoner for å oppdage og trekke ut hjernestykker som forårsaket kramper hos epileptiske pasienter. Fortsatt å heve innsatsen var disse pasientene ikke bevisstløse under prosedyrene. De var faktisk helt våkne (skjønt bedøvede av bedøvelsesmiddel slik at de ikke kunne føle smertene ved operasjonen).

Med hodeskallen åpen aktiverte legene kunstig deler av hjernen ved å stimulere dem med en liten elektrisk sonde (kalt "The Montreal Procedure"). De trengte pasientene bevisst slik at de kunne beskrive hva de opplevde - slik at legene kunne identifisere områder av hjernen der krampeanfallene oppsto, og også hjelpe til med å finne ut nøyaktig hvilke områder av hjernen som gjorde. De fant at stimulering av det somatosensoriske området i hjernen forårsaket en følelse av berøring på et bestemt sted i kroppen (men vanligvis en unaturlig prikking).

Disse dramatiske operasjonene var mer enn bare svært nyttige for pasientene. De utstyrte oss med to grunnleggende fakta om hjernen: for det første at det finnes et detaljert kroppskart for berøring i hjernen; for det andre, og viktigst for robotarmen vår, at berøringen kan induseres kunstig uten stimulering fra kroppen - ved direkte stimulering av hjernen.

Og det er nettopp dette den nye robothånden gjør for brukeren, Nathan Copeland.

I 2004 var Nathan involvert i en alvorlig bilulykke som ødela mye av hans evne til å bevege seg og føle berøring under nakken. År senere ble Nathan operert for å implantere enheter i hjernen - slik at en datamaskin kunne kommunisere med den direkte (kjent som grensesnittet hjerne-maskin, eller BMI).

Brain-to-body BMI

Fire bittesmå nett av elektroder - tenner som kan sende og motta elektrisk stimulering - ble satt inn i hjernen hans. Ett rutenett er implantert i bevegelsesområdet, slik at han kan sende motorsignaler for å kontrollere robotarmen med et utrolig presisjonsnivå (10 frihetsgrader, som betyr 10 uavhengige bevegelsespunkter). Men BMI i denne hjerne-til-kropp-forstand er gammel hatt nå (så morsomt som det høres ut, for det er fortsatt ganske blodig utrolig).

Vendingen: BMI fra kropp til hjerne

Det som er revolusjonerende med denne lenken mann-maskin er at den sender meldinger den andre veien - fra kropp til hjerne. Roboten har selv små sensorer implantert i fingrene. (Se Nathan og armen hans på jobb her.)

I likhet med våre vanlige mekaniske reseptorer, skaper press på disse sensorene en elektrisk impuls som sendes opp robotarmen av ledninger, gjennom en datamaskin, tilbake i de to andre elektrodene som er implantert i den somatosensoriske cortexen.

Datamaskinen er kritisk for suksessen til denne prosessen, og modulerer trykksignalene til en melding hjernen kan forstå som 'berøring' - å transformere den til å matche best hvordan en normal berøringsmelding ser ut når den mottas av dette området av hjernen.

Forskerne har allerede demonstrert at berøring er lokalisert til bestemte fingre med imponerende nøyaktighet: Faktisk er Nathan 73-97 prosent nøyaktig når han blir bedt om å rapportere hvilken finger som blir berørt. Mer nylig har teamet gitt et snev av forskjellige intensiteter med forskjellige styrker av hjernestimulering.

Denne hjerne-til-kropp-til-hjerne-oppfinnelsen er absolutt fremtiden for protetiske lemmer for mennesker som er lammet eller mangler lemmer. Før du blir for spent, er en slik enhet imidlertid ikke klar for de to lemmene blant oss.

Dette er fordi implantasjonen av disse elektrodene har potensial til å nedbryte hjernevevet som de er implantert i. I Nathan er dette mindre bekymringsfullt fordi det implanterte vevet ikke lenger utfører sin hovedfunksjon på grunn av lammelsen.

Med utviklingen av bedre måter å lese hjerneaktivitet utenfor hodeskallen eller mindre invasive myke elektroder, kan dette endre seg. Så for de av dere som ønsker å bli en cyborg, se på dette rommet ...