Už není daleko doba, slibují vědci, kdy se z neohrabaných protéz stanou umělé náhražky. Dokonce možná s lepšími vlastnostmi a schopnostmi než pravé končetiny.
Docela „obyčejná“ ruka disponují množstvím nejrůznějších funkcí, počínaje hýbáním všemi pěti prsty najednou, přes otáčení zápěstím, rozevírání a zatínání pěsti až po prosté cítění tepla, tlaku či bolesti. Všechny tyto činnosti jsou důležité pro to, abychom dokázali uchopit nějaký předmět, psát či kreslit nebo třeba házet lopatou. A i když se na první pohled může zdát, že se jedná o nenáročné činnosti, naučit tyto „drobnosti“ mechanické náhražky končetin není nijak jednoduché.
Příliš mnoho pokynů
Hlavní problém, s nímž se odborníci potýkají, spočívá v komunikaci té hromady plastu, drátů a kovu s lidskou nervovou soustavou. Současné protézy se zatím s lidským mozkem domlouvají pouze přes prostředníka, svaly. Při pohybu jim nervová soustava zašle signál, díky kterému se změní elektrický potenciál na svalu, a ten je pak zaznamenán elektrodou protézy. Že díky tomuto způsobu jsou možnosti pohybu pacienta s protézou velmi omezené, není asi třeba nijak zdůrazňovat.
Největší překážkou pro napojení protézy přímo na nervy je dnes velikost současných elektrod. Vědci totiž narážejí na problém, že jejich elektrody ovlivňují spolu s cílovým nervem i okolní tkáně. Pak pochopitelně nemohou přesně fungovat. Podněty z několika desítek až stovek okolních buněk jednoduše chtěný signál přehluší. Převaděče vzruchů se v takové situaci potýkají se stejným problémem jako člověk, který se snaží poslouchat jeden konkrétní rozhovor na rušném večírku.
Neposedná elektroda
Dalším problémem je značná „neposednost“ elektrod. Lékaři si sice dají značnou práci s tím, aby ji v pahýlu končetiny umístili přesně na jednom konkrétním neuronu, ale jí se tam prostě asi nelíbí. Stačí pak nečekaný prudký pohyb a ze vhodné nervové buňky se uvolní.
Potíže však nastávají i v případě elektrod implantovaných přímo do mozku. Okolní tkáň se totiž přítomnosti tvrdého nepohodlného tělesa brání tím, že kolem něj začne opřádat vazivovou tkáň. Elektroda se pak může snažit, jak chce, ale výsledky odpovídají tomu, že se dusí pod peřinou okolních buněk. „ I přesto, že se neurochirurgové snaží vytvořit velmi silné spojení, elektroda pak vydrží vysílat pouze několik měsíců,“ vysvětluje americký odborník Richard Andersen z Kalifornského technologického ústavu v Pasadeně.
Dočkáme se již brzy?
Nejnovější projekty nicméně napovídají, že vyřešení tohoto problému je už jen otázkou několika málo let. Loni svět obletěla zpráva o tom, že zcela ochrnutý Matt Nagle dokáže díky elektrodě implantované v jeho mozku ovládat robotickou ruku a dokonce s ní hrát jednoduché počítačové hry. Postarali se o to američtí vědci z Brown University na Rhode Islandu.
Ani Andersen se nenechává zahanbit. Při implantacích elektrod do mozku je důležité, aby zůstaly na svém místě, protože opětné operace po několika měsících jsou v tomto případě vyloučené. I přes pokročilé metody neurochirguje totiž jakékoli otevření lebky znamená značné riziko infekce nebo mechanického poškození mozku. Andersen se tedy již několik let snaží vyvinout elektrodu, která by postupem času neztrácela svoji účinnost.
Jeho tým se nejprve soustředil na nitrolebeční implantáty, které k přesnému umístění využívají tzv. piezoelektrické motory připojené na síť elektrod. Piezoelektrické motory využívají energii, vytvořenou tlakem krystalů měnících svoji velikost. Tyto krystaly, v závislosti na přísunu elektrického proudu, pak pohybují jednotlivými elektrodami.
S kapslemi v mozku
Pokusy na zvířatech prokázaly, že takové implantáty dokáží aktivně vyhledávat nejsilnější signál. Dovedou se tedy automaticky navracet na své místo v případě, že se z nějakého důvodu uvolní. Elektroda se přitom nejprve pohne v náhodném směru a pak sama zjišťuje, jestli signál zesílil. Pokud ano, pokračuje v původním směru. Jestliže se signál nezměnil, vrátí se do původní pozice a náhodně zvolí jiný směr.
Zařízení však má více nevýhod než předností. Je to ukázkový žrout elektrické energie a navíc i pěkný cvalík. 3 milimetry v průměru a 22 milimetrů délky nejsou zrovna parametry, které by zajišťovaly vstupenku do lidského mozku. Proto se Andersenova pozornost zaměřila na jiný systém, který k pohybu elektrod využívá pneumatické motory.
Vychází přitom z poznatku, že působením elektrického proudu na vodu v uzavřených váčcích se uvolňuje kyslík a vodík. Tím se zvětšuje objem obsahu váčku, který tak začne tlačit na elektrodu umístěnou v jeho blízkosti. Jakmile se kyslík s vodíkem přemění zpátky na vodu, elektroda se vrátí do své původní polohy.
Kapsle s vodou mají jen 1 mm v průměru (stejně tak celé zařízení nepřesahuje šířku 1mm) a dokáží elektrodu odtlačit až do vzdálenosti jednoho milimetru. Navíc ke svému provozu vyžadují pouhý zlomek množství energie, jež dokáží spořádat piezoelektrické motory.
První protézy budou již letos
Mobilní elektrody nejsou jen součástí vyvíjených mozkových implantátů, ale figurují i ve známém projektu Cyberhand, na kterém spolupracuje několik evropských zemí. Cyberhand, tedy protéza, která dokáže hýbat jednotlivými prsty a dokonce zprostředkovat cítění tlaků a vibrací, není žádný mlhavý sen daleké budoucnosti. Je doslova na spadnutí! Podle slov Paula Daria z Univerzity svaté Anny v italské Pise by první dva pacienti měli takové náhrady končetin dostat ještě v letošním roce.
V tomto případě se mají využívat elektrody s tvarovou pamětí, které se působením elektrického proudu různě deformují. Jsou dlouhé 6 cm, ale jen 10 mikrometrů tenké (desetkrát tenčí než lidský vlas). Díky svým vlastnostem se mohou na několika místech prohnout a zatlačit tak na cílový nerv. Každá elektroda má 8 kontaktních míst, kterými s cílovými nervy komunikuje.
Vývoj mobilních elektrod však zatím nedosahuje takového stádia, aby mohly být použity už v první prototypech Cyberhand, které se již letos začnou zkoušet na dobrovolnících. Laboratorní testy zatím naznačují, že fungují tak, jak by měly, a nezpůsobují okolním tkáním žádná poškození. Do klinického využití se však mohou dostat až po důkladném otestování na zvířatech.
Co dokáže Cyberhand?
První protéza nové generace se sice zatím bude muset obejít bez mobilních elektrod, přesto její tvůrci slibují výrazné zvýšení komfortu jejích uživatelů. Každý z pěti prstů je ovládán samostatným motorem a celá ruka váží pouhých 600 gramů. Hmotnostně se tedy nijak neliší od ruky z masa a kostí.
Pro pozdější modely, které už budou využívat pohyblivé elektrody, propojující protézu přímo s nervou soustavou (nikoli se svaly, jak je doposud běžné), už jsou navíc přichystány 4 typy senzorů, které pacientovi zajistí, že bude mít v ruce cit. Protéza jej bude informovat o změnách tlaku, stálém tlaku, vibracích a napínání či uvolňování jejího povrchu (umělé kůže).
Nový sluch rychleji a bezpečněji
Doposud se při obnově sluchu (u některých forem hluchoty) pro chirurgickou implantaci elektrod upřesňovalo jejich umístění za pomoci zdlouhavých testů. Lékaři stimulovali každý nerv jednotlivě a pak odečítali jeho odezvu. Celá procedura trvala 30 minut, což do značné míry zvyšovalo riziko zákroku.
Australská firma Cochlear se proto rozhodla, že přijde s lepším řešením. Jejich automatický systém zvládne otestovat všechny elektrody do 10 minut. Nezkouší se každá elektroda zvlášť, ale při stimulaci jedné se zároveň vyhodnocuje i odezva zbylých deseti. Stejná firma se zasloužila i o zvýšení množství implantovaných elektrod.
