Das Tragen eines künstlichen sechsten Fingers an der Hand beeinträchtigt die Darstellung der Finger im motorischen Kortex des Gehirns, wie Forscher aus Großbritannien gezeigt haben. Sie forderten die Teilnehmer auf, mehrere Tage lang einen kontrollierten zusätzlichen Daumen zu tragen und zu verwenden, und überwachten die Aktivität des motorischen Kortex vor und nach der Verwendung von fMRT. Es stellte sich heraus, dass nach mehreren Tagen Tragen des Geräts die Muster der Gehirnaktivität im motorischen Kortex, die mit jedem Finger verbunden waren, einander ähnlicher wurden, aber diese Veränderungen waren reversibel. Artikel in Science Robotics veröffentlicht.
Die meisten elektromechanischen Prothesen sind Arm- und Beinprothesen, die Menschen aufgrund von Verletzungen oder Krankheiten verloren haben. In diesem Bereich spielen technische Entwicklungen, die die Leistungsfähigkeit von Prothesen verbessern, eine Schlüsselrolle. Gleichzeitig geht es in eine andere Richtung: die Leistungsfähigkeit des menschlichen Körpers mit Hilfe zusätzlicher künstlicher Gliedmaßen zu erweitern. Dieser Bereich ist an sich recht klein, und noch weniger Arbeit konzentriert sich nicht auf das Design neuer elektromechanischer Arme oder Beine, sondern auf die Untersuchung, wie das Gehirn neue Körperteile wahrnimmt, die es noch nie zuvor kontrolliert hat. Gleichzeitig ist es wichtig zu wissen, wie sich das Gehirn an solche Bedingungen anpassen kann, um zusätzliche Gliedmaßen zu schaffen, die in der Praxis und für lange Zeit und nicht unter Laborbedingungen verwendet werden können.
2017 hat Danielle Clode einen zusätzlichen Daumen entwickelt, der gebeugt werden kann, indem man mit der Zehe auf den Sensor im Schuh drückt. Damals war der Finger Claudes Abschlussprojekt am Royal College of Art in London. Später lud Tamar Makin vom University College London, die sich auf das Studium der Darstellung von Körperteilen im Gehirn spezialisiert hat, Claude ein, den Einfluss ihres Fingers auf diese Darstellung zu untersuchen. Die Forschung zeigt, dass im Gehirn bereits in frühen Entwicklungsstadien eine klare Darstellung der Hand und einzelner Finger entsteht. Makin und Kollegen beschlossen, Experimente durchzuführen, indem sie Muster der motorischen Kortexaktivität im Zusammenhang mit Fingerbewegungen vor, während und nach relativ langem Gebrauch des neuen Fingers messen.
Der Finger selbst ist an der dem Daumen gegenüberliegenden Hand befestigt und besteht aus drei Segmenten. Zusammen mit ihm wird ein Armband mit zwei Elektromotoren um das Handgelenk gelegt, das an den Kabeln zieht und dadurch den Finger bewegt. Es hat zwei Freiheitsgrade: Der Finger kann gebogen und gedreht werden. Claude wählte ihre Zehen, um den zusätzlichen Finger zu kontrollieren - unter den Daumen befinden sich zwei Drucksensoren, von denen einer für die Beugung und der zweite für die Drehung verantwortlich ist. Dieses Schema lässt die Hände frei und funktioniert im Allgemeinen gut, hat aber auch den Nachteil, dass der Finger beim Gehen nicht manipuliert werden kann.
Die Forscher rekrutierten 36 rechtshändige Freiwillige (24 in der Hauptgruppe und 12 in der Kontrollgruppe, die einen unkontrollierbaren Finger trugen). Über einen Zeitraum von etwa einer Woche (sieben bis neun Tage) nahmen Freiwillige an acht experimentellen Sitzungen teil. Zuerst trug jeder von ihnen eine Stunde lang einen zusätzlichen Finger, um sich daran zu gewöhnen, das Prinzip der Steuerung zu erlernen und den Anweisungen für die nächsten Schritte des Experiments zuzuhören. Es folgte eine vierstündige Sitzung mit Aufgaben und fMRT-Scans. In den nächsten fünf Tagen verrichteten die Freiwilligen täglich zwei Stunden lang verschiedene Aufgaben, zum Beispiel Gegenstände heben und umstellen, mit der Hand ein Glas halten und gleichzeitig mit derselben Hand mit einem Löffel Gegenstände herausnehmen und demnächst. Es folgten ein weiteres vierstündiges Experiment und ein weiterer fMRT-Scan.
Bereits im Verlauf der Studie entschieden sich die Autoren, 7-10 Tage nach Ende der Experimente einen weiteren Scan durchzuführen, konnten jedoch nur 12 Teilnehmer gewinnen.
Während der Experimente gewöhnten sich die Freiwilligen an die Bedienung des Geräts und begannen, alle Aufgaben schneller zu erledigen. Die Autoren testeten auch die Gewöhnung an den neuen Finger, indem sie die Teilnehmer aufforderten, den neuen Finger mit offenen und geschlossenen Augen abwechselnd mit dem echten Finger zu schließen. Auch bei dieser Aufgabe verbesserte sich die Kontrolle über den Versuchsverlauf. Bei einer der Aufgaben wurden die Freiwilligen gebeten, Aufgaben mit ihren Fingern (mit ihren eigenen und einem zusätzlichen) zu lösen und gleichzeitig arithmetische Berechnungen durchzuführen – so überprüften die Forscher, wie sich die erhöhte kognitive Belastung auf die Kontrolle auswirkt. Es stellte sich heraus, dass es keinen Einfluss hatte und die Teilnehmer die Aufgaben mit der Hand trotzdem effizient erledigten.
Die Forscher fanden heraus, dass die kinematischen Synergien der Bewegungen in der Kontrollgruppe im Vergleich zur Kontrollgruppe abnahmen, d. h. die Bewegungen wurden komplexer und erforderten mehr Komponenten, um sie zu beschreiben, und die Bewegungen der einzelnen Finger wurden weniger korreliert. Veränderungen in der Koordination der Fingerbewegungen haben die Ergebnisse der fMRT-Scans gestützt.
Wegen der Metallteile im Finger trugen ihn die Probanden im Tomographen nicht. Als Kontrolle dienten die Wissenschaftler der Aktivität des Bereichs des motorischen Kortex, der beim Einsatz der linken Hand aktiviert wird (das Gerät wurde rechts getragen). Während des Scans bewegten die Teilnehmer abwechselnd einzelne Finger. Die Ergebnisse zeigten, dass in der Gruppe, die den Finger während des Experiments kontrollierte, sich die Muster der motorischen Kortexaktivität, die mit der Bewegung bestimmter Finger verbunden waren, weniger voneinander unterschieden. Gleichzeitig gab es keinen solchen Effekt auf der linken Hand. Eine Studie einige Tage nach dem Experiment zeigte, dass sich die Verringerung der Differenz zwischen den Darstellungen der Finger teilweise wieder erholte.
Änderung der Fingerdarstellung basierend auf fMRT-Ergebnissen
Die Forscher stellen fest, dass die Ergebnisse die Möglichkeit einer erfolgreichen Integration eines neuen Gliedes zeigen. Gleichzeitig stellten sie fest, dass mehr Forschung zur Wiederherstellung der Fingerdarstellung durchgeführt werden muss, nachdem eine Person die Verwendung des Geräts eingestellt hat.
