Toen Gyorgy Levay delen van alle vier de ledematen verloor, inclusief het grootste deel van zijn linkerarm, aan meningitis in 2010, hij besloot het beste te maken van een slechte situatie.

Hij beheerste zijn ultramoderne prothetische vervangingen. Hij verlegde de focus van zijn afstudeerstudies van elektrotechniek naar biomedische technologie. De inheemse Hongaar vond het zelfs interessant hoe hij sensaties bleef voelen van de hand die hij niet meer bezat.

Maar zoals de meeste geamputeerden, hij voelde dat er iets ontbrak. Omdat zijn protheses geen tastzin hadden, ze voelden voor hem als buitenaardse gehechtheden.

Dankzij een team van onderzoekers van de Johns Hopkins University, hij heeft geleerd hoe ze zich zouden voelen als ze een deel van hem waren. Levay was de belangrijkste vrijwilliger in een twee jaar durende studie aan de universiteit die een kunstledemaat het vermogen gaf om druk en pijn te voelen.

Onder leiding van Luke Osborn en Nitish Thakor, een afgestudeerde student en professor aan de afdeling biomedische technologie van Johns Hopkins, het team ontwikkelde een vorm van "elektronische huid" die aanraking op vrijwel dezelfde manier registreert als het menselijk lichaam.

Het dragen van die "huid, " een stof-en-rubberen omhulsel doorspekt met sensoren die het team e-dermis noemde, op de vingertoppen van zijn prothetische linkerhand, Levay pakte een aantal kleine, afgeronde objecten, deed toen hetzelfde met een scherp puntig voorwerp.

Bij het oppakken van de afgeronde voorwerpen, hij voelde verschillende niveaus van fysieke druk; bij het vasthouden van het puntige voorwerp, hij voelde pijn.

naar Levay, het voelde alsof een levenloos aanhangsel - zijn linkerhand en -arm - opnieuw werd geboren.

"Normaal gesproken voelt mijn 'hand' een beetje als een holle schelp, ', zei hij in een telefonisch interview vanuit zijn woonplaats Boedapest. 'Toen deze elektronische stimulaties begonnen te gebeuren, het voelde een beetje als het vullen van een handschoen met water, bijna alsof het zich vult met leven."

Het experiment markeerde de eerste keer dat een geamputeerde een reeks goedaardige fysieke druk kon voelen via een prothese - en de eerste keer dat iemand pijn voelde.

"Voor de eerste keer, een prothese kan een scala aan percepties bieden, van fijne aanraking tot schadelijke aanraking, aan een geamputeerde, en dit maakt het veel meer als een menselijke hand, " zei Thakor, de mede-oprichter van Infinite Biomedical Technologies, een klein in Baltimore gevestigd bedrijf dat de prothetische hardware voor het onderzoek leverde.

Een artikel over de studie verscheen in het tijdschrift Wetenschap Robotica vorige maand.

De vorderingen zijn de nieuwste op een onderzoeksgebied dat de afgelopen anderhalf jaar snel is uitgebreid, niet in de laatste plaats dank aan het werk bij Johns Hopkins.

Het was pas ongeveer vier jaar geleden, Hoewel, dat onderzoekers van de Case Western Reserve University in Cleveland en elders stappen begonnen te zetten om prothetische apparaten met aanraking te doordrenken.

Die onderzoekers bereikten hun resultaten door elektronische sensoren aan prothetische ledematen aan te brengen. Deze kleine apparaten kunnen aanraking registreren, vertaal het in elektronische signalen en stuur de signalen over een reeks draden naar de juiste locaties in wat er nog over is van de ledematen van de gebruikers.

Elk baanbrekend experiment heeft zijn beperkingen, en deze waren geen uitzondering. Het proces vereiste invasieve chirurgie - er moesten elektroden in de restledemaat worden geïmplanteerd om de signalen te ontvangen en door te geven over het zenuwstelsel - en het werk leverde slechts een beperkt aantal druksensaties op.

Het Hopkins-team wilde het menu van aangeboden sensaties uitbreiden, tot en met pijn - een categorie van gevoelens die, terwijl het altijd onaangenaam is, vervult een cruciale overlevingsfunctie.

"Pijn is een sensatie die we gebruiken om ons lichaam te beschermen, " zei Osborn. "We kunnen het als vanzelfsprekend beschouwen, en we vinden het zeker niet altijd leuk, maar het dient als een waarschuwingssysteem, ons helpen schadelijke gebeurtenissen te voorkomen."

Het team, waaronder leden van de Johns Hopkins-afdelingen van elektrotechniek, computertechniek en neurologie, wendde zich tot de biologie voor zijn model.

De sensorische receptorcellen in de menselijke huid, zij observeerden, bevinden zich eigenlijk op verschillende niveaus, met degenen die verantwoordelijk zijn voor het pijnlijke gevoel (nociceptoren) voornamelijk in de buurt van het huidoppervlak en degenen die verantwoordelijk zijn voor het waarnemen van druk (mechanoreceptoren) dieper.

Om dit systeem te repliceren, ze ontwierpen e-dermis om sensoren in twee lagen te hebben, in plaats van een zoals eerdere ingenieurs.

Vervolgens was de uitdaging om de sensoren in elke laag te "leren" om de sensaties te genereren die geschikt zijn voor die laag.

Opnieuw, ze wendden zich tot de biologie.

Het team bestudeerde de frequenties, amplitudes en golflengten van de signalen die het lichaam normaal gesproken uitzendt bij het opwekken van druk- en pijnsensaties. Daarna kalibreerden ze het sensorische apparaat om die variabelen na te bootsen.

Osborn ging dieper in op deze "neuromorfe" benadering, dat wil zeggen:de creatie van technologie die biologische patronen nabootst.

"We wisten hoe een elektrische puls voor pijn eruit ziet, evenals pulsen die informatie over druk overbrengen, textuur enzovoort, " zei hij. "We creëerden soortgelijke pulsen en matchten ze met wat de proefpersonen werkelijk waarnemen."

De volgende uitdaging was ervoor te zorgen dat het systeem ruimtelijk nauwkeurig was, dat wil zeggen:dat als er contact is met de prothetische wijsvinger, de hersenen nemen het waar als afkomstig van die plek.

Ze bereikten dit door middel van "sensorische mapping - elke vierkante centimeter van het restledemaat van de proefpersoon aftasten en opmerken waar de proefpersoon elk van die aanrakingen op zijn "spookhand" "voelde".

Het proces stelde Osborn en het bedrijf in staat om de sensor op de wijsvinger te bedraden, bijvoorbeeld, rechtstreeks op de zenuw in het restledemaat die normaal gesproken zou aansluiten op de echte wijsvinger.

Hopkins-onderzoek biedt Pa. vrouw nieuwe arm, 14 jaar na amputatie

"Die zenuwen die vroeger naar je hand gingen, zijn er nog steeds, ze zijn gewoon niet meer verbonden met de hand, ' zei Osborn. 'Door elk van die zenuwen te stimuleren, we activeren de locatie in de hersenen die zegt 'pinky finger, ' of 'wijsvinger, ' of 'duim, ' en het gevoel zou idealiter moeten voelen zoals het zou hebben vóór de amputatie."

Na de zenuwpatronen zo nauwkeurig in kaart te hebben gebracht, het team was in staat om de invasieve implantatie van metalen elektroden in het restledemaat te vermijden.

Ze bevestigden wel draden van de prothese naar de juiste plaatsen op de ledemaat, maar dat deden ze aan de oppervlakte van de huid, een proces dat veel gemakkelijker is over het onderwerp.

Levay zei dat hij dat op veel niveaus waardeerde.

Hij studeerde biomedische technologie met een Fulbright-beurs aan Johns Hopkins toen Thakor en Osborn in 2015 met hun onderzoek begonnen.

Omdat hij geïnteresseerd was op persoonlijk en professioneel vlak, en fysiek dichtbij, hij maakte de ideale vrijwilliger onderwerp voor de studie, die werd gefinancierd door subsidies van het Johns Hopkins Applied Physics Laboratory en het National Institute of Biomedical Imaging and Engineering, een afdeling van de National Institutes of Health, onder andere bronnen.

De groep werkte tijdens het onderzoek met een aantal vrijwillige geamputeerden, maar omdat hij gedurende een periode van maanden constant beschikbaar was, Leva kwam naar voren als de centrale, naamloos onderwerp van het papier, getiteld "Prothese met neuromorfe meerlagige e-dermis neemt aanraking en pijn waar."

De experimenten waren in het begin pijnlijk, Levay zei lachend:terwijl Osborn de juiste match zocht tussen de schokken die hij afleverde en de sensaties die Levay voelde.

Hoe langer ze samenwerkten, Hoewel, hoe dichter de correlatie werd, totdat de enige pijn die hij voelde tijdens de sessies kwam toen hij het puntige voorwerp oppakte, signalering dat het experiment zijn doel had bereikt.

Dat, hij zei, was pain he was only too happy to feel.

"E-dermis doesn't work perfectly yet, " Levay said, "but it's definitely a step further in bringing sensations back to the hand."

©2018 The Baltimore Sun
Gedistribueerd door Tribune Content Agency, LLC.