Prestigefyllt ERC-anslag ska återskapa sinnet bakom människans fingerfärdighet efter förlamning

Människans fingerfärdighet kommer till uttryck i allt från en virtuos pianists rörelser till det finmotoriska arbetet med att montera ett mekaniskt urverk. Den är resultatet av tusentals år av evolution och en av de förmågor som utmärker människan. Fingerfärdigheten bygger på finmotorisk kontroll, ett högupplöst känselsinne och vårt ofta förbisedda sjätte sinne – proprioceptionen – som gör att vi kan känna var kroppen befinner sig i rummet och hur mycket kraft vi använder. 

Föreställ dig att du ska plocka upp ett ägg utan att titta på handen. För att inte tappa eller krossa det får hjärnan hela tiden information om var armen och fingrarna befinner sig, hur de rör sig, vad de vidrör och hur mycket kraft de använder. Mycket av detta sker utan att vi är medvetna om det. Ett av de sinnen som gör detta möjligt är proprioceptionen.

För personer med förlamning i armar och händer till följd av en ryggmärgsskada har de senaste årens framsteg inom implanterbara hjärn-datorgränssnitt, så kallade iBCI, öppnat nya möjligheter att återställa förlorade funktioner. Signaler från hjärnan kan användas för att styra en bionisk kroppsdel, samtidigt som elektrisk mikrostimulering av specifika områden i hjärnan kan återskapa vissa former av känsel.

Men en avgörande pusselbit saknas fortfarande: proprioceptionen.

– Dagens hjärnstyrda bioniska händer kan återskapa vissa rörelser, men de saknar fortfarande en avgörande komponent: en naturlig känsla för handen. En frisk hand talar hela tiden om för hjärnan var fingrarna befinner sig, hur de rör sig, hur mycket kraft som används och vad de vidrör, säger Giacomo Valle, biträdande universitetslektor på institutionen för elektroteknik på Chalmers tekniska högskola.

Ska ge hjärnan en känsla för den bioniska handen

I projektet Bionic-Dexterity ska Giacomo Valle och hans forskargrupp utveckla en ny metod med målet att återställa fingerfärdighet och kontroll över arm och hand hos personer med ryggmärgsskada.

Den centrala idén är att skapa en tvåvägskommunikation mellan hjärnan och en bionisk kroppsdel. Signaler från hjärnan ska avkodas för att styra den bioniska armen och handen. Samtidigt ska elektrisk mikrostimulering av specifika områden i hjärnans somatosensoriska cortex förmedla rik sensorisk information tillbaka till hjärnan.

Ett särskilt fokus ligger på att återskapa proprioception – något som dagens neuroprotesteknik ännu inte har lyckats med.

– När vi använder vår naturliga hand kombinerar hjärnan hela tiden information om beröring, rörelse och kraft för att styra varje handling. Min centrala hypotes är att om vi kan återskapa den här sensoriska informationen, och framför allt proprioceptionen, kommer det i grunden att förbättra hur naturligt och precist en person kan styra en bionisk kroppsdel. 

För att nå dit ska forskarna först utveckla beräkningsmodeller av hur nervsystemet bearbetar beröring och proprioception. Modellerna ska sedan användas för att utforma stimuleringsstrategier som återskapar sensorisk återkoppling i hjärnan. Det slutliga målet är att integrera sensorisk återkoppling, hjärnsignaler och robotstyrning i ett fullt biomimetiskt, implanterbart hjärn-datorgränssnitt med tvåvägskommunikation för personer med förlamning.

Att plocka upp ett glas vatten – utan att titta

Varför är då den sensoriska återkopplingen så viktig? Giacomo Valle använder ett enkelt exempel: föreställ dig att du försöker plocka upp ett glas vatten utan att kunna se handen – samtidigt som du inte kan känna fingrarna, som under en riktigt kall dag, eller veta var handen befinner sig. 

Du skulle fortfarande kunna utföra rörelsen, men den skulle bli betydligt svårare att kontrollera. Du skulle behöva förlita dig nästan helt på synen för att avgöra var fingrarna befinner sig, om de har kommit i kontakt med glaset och hur hårt du håller i det.

– Vi använder hela tiden sensorisk återkoppling för att justera våra rörelser i realtid. Utan rätt återkoppling blir rörelserna långsammare och mindre precisa, och det blir svårt att reglera greppkraften. Du kanske håller för löst och tappar glaset, eller för hårt och krossar det eller spiller det du håller i. 

Om Bionic-Dexterity lyckas skulle skillnaden kunna märkas i något så till synes enkelt som att plocka upp ett ägg. 

– En framtida användare skulle potentiellt kunna känna var fingrarna befinner sig, känna när de kommer i kontakt med glaset och naturligt anpassa greppet när glaset blir tyngre eller lättare. Mer övergripande är målet att göra komplexa vardagliga aktiviteter möjliga utan att hela tiden behöva titta på den bioniska handen.

Från modeller av hjärnan till en fungerande neuroprotes

En av projektets stora utmaningar blir att översätta kroppens komplexa sensoriska information till mönster av elektrisk mikrostimulering som hjärnan kan tolka på ett naturligt och tillförlitligt sätt. 

För att lyckas krävs att flera forskningsområden knyts samman, från neurovetenskap och beräkningsmodellering till implanterbara neurala gränssnitt och robotik. 

– Vi har gjort stora framsteg när det gäller att avkoda rörelser från hjärnan och skapa artificiell känsel, men vi förstår fortfarande inte fullt ut hur vi kan återskapa den rika, multimodala sensoriska information som gör vår naturliga fingerfärdighet möjlig, säger Giacomo Valle.

Forskarna behöver överbrygga flera forskningsnivåer: från beräkningsmodeller av sensorisk bearbetning och implantat i specifika delar av hjärnan till neural stimulering och avkodning och, slutligen, robotstyrning i realtid. 

För Giacomo Valle är det också detta som gör projektet särskilt spännande. 

– Om vi lyckas innebär det inte bara en förbättring av en bionisk produkt, utan också ett steg mot att förstå och återskapa de neurala principer som gör människans fingerfärdighet möjlig.

ERC-anslaget möjliggör en ambitiös forskningssatsning

Europeiska forskningsrådets anslag hör till Europas mest konkurrensutsatta forskningsanslag och ger forskare möjlighet att bedriva ambitiös forskning vid den vetenskapliga frontlinjen.

För Giacomo Valle innebär anslaget att de olika delar som behövs för att angripa problemet kan samlas inom ett långsiktigt forskningsprogram. 

– Att få ett ERC-anslag är ett fantastiskt erkännande av den vetenskapliga visionen bakom Bionic-Dexterity. Det ger mig friheten att långsiktigt driva ett ambitiöst forskningsprogram med hög risk. 

Projektet ska kombinera neurovetenskap, beräkningsmodellering, neurala gränssnitt och robotik och omfatta hela kedjan från att förstå hur hjärnan kodar beröring och proprioception till att omsätta den kunskapen i neural stimulering och, slutligen, en fungerande neuroprotes med tvåvägskommunikation hos patienter. 

– Framför allt ger det oss möjlighet att ta oss an den särskilt svåra utmaningen att återskapa proprioception, i stället för att enbart fokusera på rörelse i hjärn-datorgränssnitt. 

Den långsiktiga ambitionen är både vetenskaplig och klinisk: att öka förståelsen för mekanismerna bakom människans fingerfärdighet och samtidigt öppna nya möjligheter för att återställa arm- och handfunktion hos personer med ryggmärgsskada. 

Om Bionic-Dexterity

Bionic symbiosis: restoring manual dexterity after paralysis via a multimodal cortical neuroprosthesis syftar till att utveckla ett implanterbart hjärn-datorgränssnitt (iBCI) med tvåvägskommunikation för att återställa en mer naturlig sensorisk och motorisk funktion i arm och hand hos personer med förlamning till följd av ryggmärgsskada.

Projektet kombinerar neurovetenskap, beräkningsmodellering, neurala gränssnitt och robotik för att skapa en direkt koppling mellan den mänskliga hjärnan och en bionisk arm och hand. Ett centralt mål är att återskapa naturlig somatosensorisk återkoppling, inklusive beröring och proprioception – förmågan att känna armens och handens position, rörelse och de krafter som uppstår i kontakt med omgivningen – genom elektrisk mikrostimulering av hjärnans somatosensoriska cortex. 

Genom att kombinera denna artificiella sensoriska återkoppling med avancerad hjärnstyrning av den bioniska armen och handen är målet med BIONIC-DEXTERITY att möjliggöra en intuitiv och fingerfärdig hantering av föremål och i förlängningen göra det möjligt för användare att utföra vardagliga aktiviteter.

Projektledare: Giacomo Valle, biträdande universitetslektor, Signalbehandling och medicinsk teknik, institutionen för elektroteknik, Chalmers tekniska högskola
Belopp: 2.5 miljoner euro

ERC pressmeddelande