Bionica

Fiecare punct de pe reţeaua prinsă de retina pacientului e un electrod care trimite stimuli vizuali la nervul optic, vizibil sub forma unui cerc alb în plan îndepărtat, în dreapta. Construită de către compania americană Second Sight, reţeaua, lată de 0,85 cm, are 60 de electrozi. Modelul mai vechi avea doar 16. La fel ca în cazul pixelilor camerelor digitale, mai mulţi electrozi captează mai multe detalii. Compania dezvoltă acum implanturi cu sute şi chiar mii de electrozi. Foto: Second Sight Medical Products

Etimologie: de la bio (viaţă) + nică (din electronică); studiul sistemelor mecanice care funcţionează ca nişte organisme vii sau ca părţi ale organismelor vii.

Amanda Kitts e asediată de copii de patru-cinci ani când intră în clasă la Kiddie Cottage Lerning Center, lângă Knoxville, Tennessee. „Bună, copii, ce fac puişorii mei azi?“ – spune ea, împărţindu-le mângâieri şi ciufulindu-le părul. Zveltă şi plină de energie, ea administrează acest centru de îngrijire zilnică şi alte două de aproape 20 de ani. Se apleacă pentru a vorbi cu o fetiţă, punându-i mâinile pe genunchi.

„Braţul de robot!“ – strigă câţiva copii.

„Mai ţineţi minte cum vă dau mâna?“ – spune Kitts, întinzând braţul şi rotind încheietura. Un băiat încearcă, ezitant, să-i atingă degetele. Ceea ce găseşte acolo e plastic de culoarea pielii, cu degetele curbate puţin spre interior. Dedesubt se află trei motoraşe, un cadru metalic şi circuite electronice sofisticate. Totul e acoperit cu o calotă de plastic alb ce se întinde până la jumătatea bicepsului, înconjurând un ciot care reprezintă aproape tot ce-a mai rămas din braţul pierdut într-un accident auto în 2006.

Aproape, dar nu chiar tot. În creierul ei, la nivelul subconştientului, continuă să trăiască imaginea intactă a braţului, ca o fantomă. Când Kitts se gândeşte să-şi îndoaie cotul, fantoma se pune în mişcare. Impulsurile pornite de la creier sunt preluate de senzorii cu electrozi de sub calota albă şi convertite în semnale care acţionează motoraşele, iar cotul artificial se îndoaie.

„De fapt, nu mă prea gândesc la el. Pur şi simplu îl îndoi“ – spune femeia, în vârstă de 40 de ani, care foloseşte atât acest model standard, cât şi un braţ experimental, care-i oferă şi mai mult control. „După accident, m-am simţit pierdută şi nu pricepeam de ce Dumnezeu m-a pedepsit atât de aspru. Acum sunt entuziasmată tot timpul, pentru că braţul continuă să fie perfecţionat. Într-o bună zi, cu el voi simţi din nou şi voi putea aplauda la cântecele pe care le cântă copiii mei.“

Kitts e dovada vie a faptului că nervii şi acele părţi ale creierului care controlau cândva muşchii şi oasele continuă să trăiască chiar şi după ce acestea au suferit leziuni sau au dispărut. Cu ajutorul electrozilor microscopici şi al magiilor chirurgicale, medicii au început să conecteze aceste părţi la dispozitive precum camere, microfoane şi motoraşe. Ca urmare, orbii pot vedea, surzii pot auzi, iar Amanda Kitts îşi poate împături bluzele.

Kitts e unul dintre „oamenii de mâine“ cărora le lipsesc sau le sunt lezate părţi ale corpului, fiindu-le înlocuite de dispozitive integrate în sistemele lor nervoase şi care răspund la comenzi venite de la creier. Mecanismele folosite de ei se numesc proteze neurale sau – pe măsură ce oamenii de ştiinţă au preluat un termen popularizat de scriitorii de science-fiction – dispozitive bionice. Eric Schremp, tetraplegic din 1992, când şi-a rupt gâtul sărind într-un bazin de înot, are acum un dispozitiv electronic implantat subcutanat, care-i permite să-şi mişte degetele pentru a apuca o furculiţă. Jo Ann Lewis, o oarbă, poate vedea acum forma copacilor cu ajutorul unei camere minuscule care comunică cu nervul ei optic. Iar Tammy Kenny îi poate vorbi fiului ei Aiden, de 18 luni, iar acesta îi poate răspunde, întrucât băiatul, născut surd, are în ureche 22 de electrozi care transformă sunetele captate de un microfon în semnale pe care nervul său auditiv le pricepe.

Procedurile sunt extrem de delicate, constând într-o serie de încercări presărate cu numeroase erori. Pe măsură ce oamenii de ştiinţă au descoperit că e posibil să legi mintea umană de o maşinărie, ei au aflat şi cât de dificilă e păstrarea acestei legături. În cazul în care calota ce acoperă braţul lui Kitts se deplasează, de exemplu, chiar şi numai puţin, ea ar putea să nu mai reuşească să-şi mişte degetele. Cu toate acestea, bionica reprezintă un mare pas înainte, permiţându-le cercetătorilor mai mult ca oricând să le înapoieze oamenilor o mare parte din ce-au avut cândva.

„De fapt, despre asta e vorba: despre reconstituire – spune Joseph Pancrazio, conducător de program în domeniul ingineriei neurale la Institutul Naţional pentru Tulburări Neurologice şi Atacuri Cerebrale. Astfel definesc eu succesul, când o persoană cu leziuni ale măduvei spinării poate mânca la restaurant fără ca cineva să observe asta.“

O istorie a încercărilor legate de restaurarea corpului uman, sub forma unor mâini şi picioare făcute de om, se înşiră pe rafturile biroului lui Robert Lipschutz, de la Institutul de Reabilitare din Chicago (RIC). „Tehnologia de bază a braţelor protetice nu s-a schimbat mult în ultimul secol – spune acesta. Materialele diferă, folosim plastic în loc de piele, dar ideea de bază e aceeaşi: cârlige şi balamale acţionate de cabluri şi motoraşe, controlate prin manete. Mulţi dintre amputaţii care se întorc din Irak primesc astfel de dispozitive. Uite, încercaţi asta.“ Lipschutz scoate o carcasă de plastic de pe un raft.
Se dovedesc a fi un umăr şi un braţ stâng. Umărul e un fel de pieptar, prins de piept cu un ham. Braţul, mobil la umăr şi la cot, are la capăt un cleşte metalic. Pentru a întinde braţul, întorci capul la stânga, apeşi o manetă cu bărbia şi-i dai un mic impuls cu corpul. E la fel de ciudat precum sună. Şi la fel de greu. După 20 de minute, gâtul te doare de la poziţia ciudată şi de la efortul acţionării manetei. Mulţi amputaţi sfârşesc prin a abandona braţele de acest fel.

„Uneori mi-e greu să le dau oamenilor aceste dispozitive – spune Lipschutz –, întrucât nu ştim dacă le vor fi cu adevărat de folos.“ Ceea ce ar ajuta mai mult – cred el şi alţii de la RIC – sunt protezele de tipul celei pe care Amanda Kitts a acceptat s-o testeze – controlată de creier, nu de părţi ale corpului care, în mod normal, n-au legătură cu mişcarea mâinii. O tehnică numită reinervare ţintită a muşchilor foloseşte nervii rămaşi în urma amputării pentru a controla membrul artificial. A fost testată pentru prima dată pe un pacient în 2002. Patru ani mai târziu, Tommy Kitts, soţul Amandei, a citit despre ea pe internet pe când soţia lui zăcea pe un pat de spital în urma accidentului. Camionul care-i zdrobise maşina îi zdrobise şi braţul, de la cot în jos. Pur şi simplu nu voiam să accept“ – spune ea. Dar ceea ce-i spunea soţul ei despre braţul din Chicago suna promiţător. „Părea cea mai bună opţiune existentă, cu mult superioară motoraşelor şi comutatoarelor – spune Tommy.

Amanda s-a entuziasmat cu adevărat.“ În scurt timp, zburau spre Illinois. Todd Kuiken, medic şi inginer la RIC, e persoana responsabilă pentru ceea ce a ajuns să fie numit de către cei de la institut „braţul bionic“. El ştia că nervii din ciotul rămas în urma amputării puteau încă transmite semnale de la creier. Şi că un computer aflat în proteză ar putea direcţiona nişte motoare electrice pentru a mişca membrul. Problema era realizarea conexiunii. Nervii conduc electricitatea, dar nu pot fi lipiţi de cabluri de calculator. (Fibrele nervoase şi firele metalice nu merg împreună. Iar o rană deschisă în locul în care un cablu intră în corp ar fi o cale periculoasă spre infecţii). Kuiken avea nevoie de un amplificator care să intensifice semnalele venite de la nervi, evitând astfel necesitatea unor îmbinări directe. A găsit aşa ceva în muşchi. Când muşchii se contractă, ei produc o descărcare electrică suficient de puternică pentru a fi detectată de un electrod amplasat sub piele. El a dezvoltat o tehnică de redirecţionare a nervilor tăiaţi din vechile lor amplasamente, afectate, spre alţi muşchi care să ofere propriilor semnale intensitatea necesară.

În octombrie 2006, Kuiken a început redirecţionarea nervilor Amandei Kitts. Primul pas a fost să salveze principalii nervi care odinioară coborau prin toată mâna. „E vorba de aceiaşi nervi care acţionează braţul şi palma, dar a fost necesar să creăm patru zone musculare diferite care să ducă la ele“ – spune Kuiken. Nervii porneau din creierul lui Kitts, din cortexul motoriu, care conţine o hartă aproximativă a corpului, dar se opreau la capătul ciotului – acele fire telefonice retezate. Printr-o operaţie complexă, un chirurg a redirecţionat acei nervi spre diferite regiuni ale muşchilor din partea superioară a braţului lui Kitts. Timp de luni de zile, nervii au crescut, milimetru după milimetru, avansând tot mai profund în noua lor casă.
„După trei luni, am început să simt mici furnicături şi contracţii – spune Kitts. După patru luni, când atingeam partea superioară a braţului, îmi simţeam diferite părţi ale palmei. Îl atingeam în diferite puncte şi simţeam degete diferite.“ Ceea ce simţea ea erau părţi ale braţului-fantomă înscris în creierul ei, acum reconectat la corp. Când Kitts se gândea la mişcarea acestor degete-fantomă, muşchii părţii superioare a braţului ei se contractau.

La o lună i s-a montat primul braţ bionic, care avea electrozi în calota din jurul ciotului pentru a colecta semnalele venite de la muşchi. Acum, provocarea consta în convertirea acelor semnale în comenzi de mişcare a cotului şi a palmei. Un vacarm de sunete electrice venea din regiunea aceea a braţului lui Kitts. Undeva acolo, înăuntru, se afla semnalul care însemna „îndreaptă cotul“ sau „răsuceşte încheietura“. Un microprocesor găzduit de proteză trebuia programat să culeagă semnalul corect şi să-l trimită motoraşului corespunzător.

Găsirea acelor semnale a fost posibilă graţie braţului-fantomă al lui Kitts. Într-un laborator de la RIC, Blair Lock, inginer şi cercetător, face reglajele fine ale programului. El îi scoate lui Kitts braţul artificial pentru a-i putea acoperi ciotul cu electrozi. Aceasta stă în faţa unui ecran mare TV, plat, pe care se vede un braţ desprins de corp, de culoarea pielii, plutind pe un fond albastru – o vizualizare a braţului ei fantomă. Electrozii lui Lock recepţionează de la creierul lui Kitts comenzi care radiază spre ciot, iar braţul virtual se mişcă.

În şoaptă, pentru a nu-i distrage atenţia, Lock îi cere lui Kitts să-şi întoarcă palma spre interior. „Acum întinde încheietura, cu palma în sus“ – îi spune el. Mâna de pe ecran se mişcă. „E mai bine ca ultima dată?“ – întreabă ea. „O, da. Semnale puternice.“ Kitts râde. Acum, Lock îi cere să-şi apropie degetul mare de celelalte degete. Mâna de pe ecran se supune. Kitts deschide larg ochii. „Ura! Nici nu ştiam că pot face asta.“ Odată ce sunt identificate semnalele de la muşchi asociate cu o anumită mişcare, computerul din braţ e programat să le caute şi să răspundă prin activarea motoraşului corespunzător.
Kitts a exersat folosirea braţului la etajul aflat sub biroul lui Kuiken, într-un apartament dotat de către terapiştii ocupaţionali cu toate obiectele pe care le-ar folosi în mod normal un amputat proaspăt echipat. Are o bucătărie cu cuptor, un sertar cu argintărie, un pat, un dulap cu umeraşe, o baie, scări – lucruri pe care oamenii le folosesc zilnic ca pe ceva obişnuit, dar care ridică mari probleme pentru cineva căruia îi lipseşte o mână. E o experienţă senzaţională s-o priveşti pe Kitts făcându-şi un sandvici cu unt de arahide în bucătărie. Cu mâneca suflecată, pentru a permite observarea calotei de plastic, mişcările ei sunt fluide. Braţul ei viu ţine o felie de pâine, degetele artificiale apucă un cuţit, cotul se flexează, iar ea întinde untul de arahide înainte şi înapoi.

„La început n-a fost uşor – spune ea. Încercam să-l mişc şi nu ajungea întotdeauna unde mi doream.“ Dar a exersat şi, cu cât mai mult folosea braţul, cu atât mai fireşti erau mişcările. Ceea ce i-ar plăcea acum lui Kitts sunt senzaţiile. Asta ar ajuta-o la multe activităţi, inclusiv una dintre preferatele ei – savurarea cafelei. „Problema cu paharele e că mâna mea se încleştează până obţine o strângere fermă. Dar în cazul paharelor de plastic sau de hârtie nu dai niciodată de ceva rigid – spune ea. Am păţit-o o dată la Starbucks. Am tot strâns până când paharul a cedat.“

Sunt şanse reale ca ea să capete şi aceste senzaţii – spune Kuiken –, tot graţie braţului-fantomă. În parteneriat cu bioinginerii de la Laboratorul de Fizică Aplicată al Universităţii Johns Hopkins, cei de la RIC au dezvoltat pentru Kitts şi alţi pacienţi un nou prototip, care nu numai că are o mai mare flexibilitate – mai multe motoraşe şi articulaţii –, ci dispune de plăcuţe, sensibile la atingere, plasate în vârfurile degetelor. Plăcuţele sunt conectate la nişte tije micuţe, asemănătoare unor pistoane, care ating ciotul lui Kitts. Cu cât e mai mare presiunea, cu atât e mai puternică senzaţia în degetele ei fantomă.

„Pot simţi cât de tare apuc“ – spune ea. Prin intermediul vibraţiei tijelor, mai poate sesiza şi diferenţa dintre o suprafaţă dură, ca şmirghelul, şi una netedă, ca sticla. „Voi merge la Chicago pentru experimente şi mă bucur teribil – spune ea. Mi-aş dori să mi-l dea deja pentru a-l lua acasă. Dar e mult mai complicat decât cel pe care-l am acum, aşa că n-au încă o variantă perfect fiabilă.“

Eric Schremp, spre deosebire de Kitts, n-are nevoie de braţe artificiale. Pentru a munci, el are nevoie doar de braţele cu care l-a înzestrat natura. Ele nu l-au mai slujit din 1992, de când Schremp şi-a rupt gâtul, rămânând tetraplegic. Acum totuşi bărbatul de 40 de ani din Ohio poate apuca un cuţit sau o furculiţă.

El poate face asta datorită unui dispozitiv implantat, creat de Hunter Peckham, bioinginer şi inginer biomedical la Universitatea Case Western, din Cleveland. „Scopul nostru este refacerea capacităţii mâinii de a apuca – spune Peckham. Folosirea mâinii e vitală pentru independenţă.“

Muşchii degetelor lui Schremp şi nervii care-i controlează încă există, dar semnalele de la creier au fost întrerupte la gât. Echipa lui Peckham a introdus opt microelectrozi foarte subţiri prin piept, pe sub pielea braţului drept, până la muşchii degetelor. Când un muşchi al pieptului său tresare, acesta declanşează un semnal care e trimis, printr-un transmiţător radio, spre un mic computer ce atârnă de scaunul său cu rotile. Computerul interpretează semnalul şi îl retrimite unui receptor implantat în piept, de unde semnalul ajunge, prin intermediul firelor din braţul lui Schremp, la mâna lui. Acolo, semnalul îi spune muşchiului degetului să se strângă pentru a apuca – totul într-o microsecundă.

„Pot apuca o furculiţă pentru a mânca – spune Schremp. Asta înseamnă foarte mult.“

În jur de 250 de oameni au fost trataţi cu ajutorul acestei tehnici, care e încă în stadiul de experiment. Dar un alt mecanism bionic a dovedit că legătura dintre creier şi maşinărie poate fi puternică şi de durată, acesta fiind implantat la aproape 200.000 de oameni din întreaga lume în ultimii 30 de ani. E vorba de implantul auditiv, iar Aiden Kenny se numără printre cei mai recenţi beneficiari. Tammy Kenny, mama sa, îşi aminteşte că în urmă cu numai un an, atunci când aflase că are un copil surd, era imposibil ca ştiinţa medicală să-l ajute.

„Îl ţineam în braţe şi plângeam – spune ea –, ştiind că nu mă poate auzi. Cum să mă cunoască? O dată, soţul meu a lovit
două cratiţe una de cealaltă, în speranţa unei reacţii.“ Aiden n-a auzit zgomotul făcut.

Acum, el poate auzi sunetul de cratiţă lovită. În februarie 2009, chirurgii de la Spitalul Johns Hopkins i-au implantat 22 de electrozi în fiecare melc, acea parte a urechii interne care, în mod normal, detectează vibraţiile sonore. În cazul lui Aiden, un microfon preia sunetele şi trimite semnale spre electrozi, care le transmit direct la nervi. „În ziua în care implantul a început să funcţioneze, la o lună de la operaţie, am observat că băiatul răspunde la sunete – spune Tammy Kenny. S-a întors la sunetul vocii mele. A fost nemaipomenit.“ Astăzi – spune ea –, datorită terapiei intensive, el învaţă limba, ajungându-i rapid din urmă pe colegii săi care aud.

După urechile bionice, în curând ar putea urma ochii bionici. Jo Ann Lewis şi-a pierdut vederea cu ani în urmă, din cauza unei boli degenerative, retinitis pigmentosa, care distruge conurile şi bastonaşele, celulele ochiului care detectează lumina. Ulterior însă ea şi-a recăpătat parţial vederea, ca urmare a cercetărilor făcute de Mark Humayun, oftalmolog la Universitatea din California de Sud, şi de o companie numită Second Sight.

Aşa cum se întâmplă în cazul acestei boli, o parte a stratului inferior al retinei ei a supravieţuit. Acest strat, umplut cu celule bipolare şi ganglionare, captează în mod normal semnale de la conurile şi bastonaşele exterioare şi le trimite fibrelor care intră în nervul optic. Nimeni nu ştia ce limbă vorbeşte retina internă sau cum să-i furnizezi imagini pe care să le înţeleagă. Dar, în 1992, Humayun a început să aplice, pentru scurt timp, o mică reţea de electrozi pe retinele unor pacienţi care sufereau de retinitis pigmentosa şi care erau operaţi pentru alte afecţiuni.

„Le-am cerut să urmărească un punct şi au reuşit – spune acesta. Puteau vedea şiruri şi coloane.“ După încă un deceniu de teste, Humayun şi colegii săi au dezvoltat un sistem pe care l-au numit Argus. (Monstrul cu 100 de ochi din mitologia greacă.) Pacienţii primeau o pereche de ochelari fumurii, în care erau montate o cameră şi un emiţător radio. Semnalele video erau transmise fără fir unui computer purtat la centură, convertite în seturi de impulsuri electrice înţelese de celulele ganglionare, apoi transmise unui receptor aflat în spatele urechii. De acolo, un fir le ducea în interiorul ochiului, la o reţea pătrată constând din 16 electrozi ataşaţi cu grijă de suprafaţa retinei. Impulsurile stimulau electrozii. Electrozii stimulau celulele. Apoi, creierul făcea restul, permiţându-le acestor primi pacienţi să vadă muchii şi unele forme aproximative.

În toamna lui 2006, Humayun, Second Sight şi o echipă internaţională au crescut numărul electrozilor din reţea la 60. La fel ca o cameră cu mai mulţi pixeli, noua reţea producea o imagine mai clară. Lewis, din Rockwell, Texas, a fost printre primii care au primit aşa ceva. „Acum pot să văd din nou siluete de copaci – spune aceasta. E unul dintre ultimele lucruri pe care îmi amintesc să le fi văzut pe cale naturală. Azi pot vedea crengile mişcându-se.“

Împingând mai departe limitele conceptului de proteză neurală, cercetătorii încep să-l folosească şi în cazul creierului însuşi. Oamenii de ştiinţă implicaţi în Proiectul BrainGate încearcă să conecteze cortexul motor al pacienţilor complet imobilizaţi direct la un computer, pentru ca pacienţii să poată comanda de la distanţă mişcarea unor obiecte cu propria lor minte. Până acum, subiecţii testelor au reuşit să deplaseze un cursor pe ecranul unui computer. Cercetătorii plănuiesc chiar să dezvolte un hipocampus artificial, adică acea parte a creierului care stochează amintirile, cu scopul de a-l implanta oamenilor cu pierderi de memorie.

Nu totul merge ca pe roate. Unul dintre cei patru pacienţi iniţiali ai Proiectului BrainGate a hotărât să se deconecteze, întrucât dispozitivul interfera cu alte aparate medicale. Iar Jo Ann Lewis spune că vederea ei nu e suficient de bună pentru a-i permite să traverseze strada în siguranţă. În orice caz, Kitts are acum o calotă nouă, mai elastică, pe braţ, care aliniază mai eficient electrozii cu nervii care controlează braţul.

„Asta înseamnă că pot face mai multe cu braţul“ – spune Kitts. „Le oferim oamenilor unelte superioare celor de dinainte. Ele sunt încă rudimentare, la fel ca un ciocan în comparaţie cu complexitatea corpului omenesc. Nu poţi compara lumânarea cu Soarele“ – spune Kuiken. Şi totuşi, cel puţin cei care folosesc uneltele pot apuca lumânarea. Iar unii chiar pot zări strălucirea ei în întuneric.

Text: Josh Fischman

(Articol publicat în ediţia revistei National Geographic din ianuarie 2010)

Galerie de imagini:



Be the first to comment

Leave a Reply

Your email address will not be published.


*