Een AI-implantaat krijgt geamputeerden om een prothesehand te bedienen

Dankzij machine learning konden onderzoekers perifere zenuwsignalen tot een millivoltniveau versterken en vertalen naar de bewegingen die door de prothese werden uitgevoerd. Vrijwilligers waren in staat om hun vingers afzonderlijk te controleren en draai hun duimen om objecten te grijpen

Onderzoekers hebben gewerkt voor ten minste een decennium om mentale controle prothesen een realiteit te maken. In theorie zou een kunstmatige hand die geamputeerden met hun geest konden controleren hen de mogelijkheid kunnen geven om allerlei dagelijkse taken uit te voeren en hun levenskwaliteit sterk te verbeteren.

Tot nu toe hebben wetenschappers echter een belangrijke barrière ondervonden: ze hebben geen toegang gehad tot zenuwsignalen die sterk genoeg of stabiel genoeg zijn om de bionische ledemaat te beïnvloeden. Hoewel het mogelijk is om dit type signaal te verkrijgen via een brain-machine interface, is de implantatieprocedure invasief en kostbaar. En de zenuwsignalen die worden doorgegeven door perifere zenuwen die zich uitstrekken van de hersenen en het ruggenmerg zijn te klein.

Nu is een nieuw implantaat erin geslaagd om het probleem te omzeilen met behulp van machine learning om de signalen te versterken. De studie, onlangs gepubliceerd in Science Translational Medicine, toont aan dat het werkte in vier geamputeerden voor bijna een jaar. Het gaf hen een goede controle van hun prothese handen en stond hen toe om een paar kleine spelblokjes op te nemen, voorwerpen zoals sodablikken te grijpen en steen, document, schaar te spelen.

Dit is de eerste keer dat onderzoek in staat is geweest om zenuwsignalen met een millivolt intensiteit, veel hoger dan die van een eerdere studie vast te leggen. De kracht van deze signalen stelde onderzoekers in staat om algoritmen te trainen om ze te vertalen in bewegingen. Paul Cederna, hoogleraar biomechanica aan de Universiteit van Michigan (VS), die de studie leidde, zegt: “De eerste keer dat we het lanceerden, werkte het onmiddellijk. Er was geen kloof tussen denken en bewegen.”

De procedure voor het implantaat vereist dat een van de perifere zenuwen van de geamputeerde worden gesneden en genaaid aan de spier. Als het gebied geneest, ontwikkelt het zenuwen en bloedvaten gedurende drie maanden. Elektroden worden vervolgens geïmplanteerd in dit gebied, waardoor een zenuwsignaal kan worden opgenomen en in real-time in de prothesehand kan worden doorgegeven. Signalen worden omgezet in bewegingen met behulp van machine learning-algoritmen (dezelfde die worden gebruikt voor brain-machine interfaces).

Mensen geamputeerd met een prothese hand waren in staat om afzonderlijk controle elk van hun vingers en draai hun duimen, ongeacht wanneer ze hun ledemaat verloren. Haar zenuwsignalen werden gedurende een paar minuten geregistreerd om de algoritmen te kalibreren op hun individuele signalen, maar daarna werkte elk implantaat onmiddellijk en was het niet nodig om ze opnieuw te kalibreren tijdens de 300 dagen van de test, legt de universitair hoofddocent biomedische techniek aan de Universiteit van Michigan uit. En co-directeur van de studio, Cynthia Chestek.

Op dit moment is onderzoek niets meer dan een proof of concept, dus er zijn meer studies nodig om de resultaten te valideren. Onderzoekers werven meer geamputeerden voor een lopende klinische studie, gefinancierd door de Us Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) en de Amerikaanse National Institutes of Health.