У людей, перенесших травмы спинного мозга, нередко наблюдается частичная или полная утрата способности к движению конечностей. В большинстве случаев нервы в руках и ногах функционируют исправно, а нейроны в головном мозге работают нормально, однако повреждение спинного мозга мешает их нормальному взаимодействию.
В журнале APL Bioengineering исследователи из университетов Италии и Швейцарии опубликовали статью, в которой пытались выяснить, возможно ли использование электроэнцефалографии (ЭЭГ) в качестве эффективного метода для определения взаимосвязи между мозговой активностью и движениями рук и ног.
При попытке пациента совершить движение парализованной конечностью, в его мозге формируется последовательность сигналов, соответствующих этому действию. В случае, если бы эти сигналы удалось зафиксировать и декодировать, их можно было бы направить на стимулятор спинного мозга для управления нервными окончаниями в этой конечности.
В предыдущих работах основное внимание уделялось имплантируемым электродам, предназначенным для регистрации сигналов, связанных с движением. Хотя данный метод показал свою эффективность, исследователи стремились оценить возможности технологии электроэнцефалографии.
Электроэнцефалографические (ЭЭГ) устройства чаще всего выглядят как шапочки с электродами, предназначенными для регистрации мозговой активности. Несмотря на то, что большое количество проводов может показаться пугающим, разработчики считают, что данный метод более предпочтителен по сравнению с имплантацией оборудования непосредственно в мозг или спинной мозг.
«Любая хирургическая операция чревата риском возникновения инфекций, — отметила руководитель исследования Лаура Тони. — Нас интересовало, возможно ли предотвратить это».
Декодирование попыток перемещения конечностей по данным электроэнцефалограммы расширяет потенциал этой технологии. Расположение электродов на поверхности головы пациента затрудняет фиксацию сигналов, исходящих из более глубоких структур мозга. Это не является критичным ограничением при управлении движениями рук, однако создает сложности при работе с ногами.
«По словам Тони, управление движениями нижних конечностей осуществляется преимущественно в центральных отделах мозга, в то время как движения верхних конечностей контролируются в большей степени периферическими структурами. Он также отметил, что декодирование пространственной информации, касающейся движений, происходит легче, чем при работе с нижними конечностями».
Для помощи в расшифровке сигналов ЭЭГ авторы применили алгоритм машинного обучения, который был разработан для работы с небольшими объемами информации. В ходе исследования к пациентам подключали ЭЭГ-мониторы, после чего просили выполнить несколько простых упражнений. Собранные данные затем использовались алгоритмом для классификации выявленных сигналов.
Удалось установить, что разницу между движением и его отсутствием выявить проще, чем конкретные сигналы.
Ученые разрабатывают идеи по оптимизации их методики. Они стремятся доработать алгоритм, чтобы он мог идентифицировать разнообразные типы движений, включая вставание, ходьбу и подъем по лестнице, и затем изучить, как эти сведения можно использовать для стимулирования движений у пациентов с имплантатами.
[Фото: Laura Toni / Американский физический институт ]