Sinirlere bağlı ilk biyonik kol yapıldı

Doğrudan sinir sistemine bağlanan biyonik protezi takanlar, düşünerek, aklından geçirerek tıpkı eli gibi protezi de hareket ettirebilecek ve gerçek gibi duyuları da algılayabilecek. En büyük özellikleri, duyu geri bildirime sahip olmaları.

Biyomekanikçilerin ve sinirbilimcilerin birlikte çalışmaları sonucu, protez kollarda büyük bir devrim gerçekleştirildi ve sinir sistemimizle doğrudan iletişim içinde bulunacak, cisimleri hissedebilecek ve beyin ile alış veriş yapabilecek ilk gerçek biyonik kol protezi gerçekleştirildi.

Protez, gönüllülerde denemeye başlandı.

Antik tarihe göre, ünlü Pers savaşçısı Hegesistratus, M.Ö. 484’te, bileklerindeki prangalardan kurtulmak için bir ayağını kesmiş ve düşmanlarından ancak böyle kaçabilmişti. Savaşçı daha sonra tahta bir bacak kullanmaya başlamış... Eğer bu hikaye doğru ise, bu tarihte kaydedilen en eski protez uzuv kullanımıdır.

Tahta ayağı, kollar, eller ve isteği göre de kancalar takip etti. Kim bütün çocuk korsan masallarında kanca elli kötü kaptanları hatırlamaz?

Ancak, daha büyük bir atılımın gerçekleşmesi için neredeyse iki yüzyıl gerekti. 1529’da Fransız cerrah Ambroise Pare, birbirine bağlı, parçalı bir bacak geliştirdi. Bu tasarım, bükülmez yapılardan çok daha doğal ve esnek uzuvlara doğru teknolojik bir atılımdı.

Bugünse, protez alanında ve kollarını ve bacaklarını yitirmiş kimselerin hayatlarında çok daha önemli bir ilerlemenin eşiğinde bulunuyoruz.

Bu, doğrudan sinir sistemine bağlanan biyonik bir protez.

Bunu takan kişi, sadece aklından geçirerek protezi hareket ettirmekle kalmayacak, gerçek gibi duyuları da algılayabilecek.

Duyu geri bildirime sahip olan yapay kol ve bacaklar, tepki veren, gerçeğe yakın cihazların geliştirilmesinde giderek çok daha önemli bir yer tutuyor.

Beş yıl içinde tamam

Bu hedefler çok büyük görünse de, biyonik protezler 5 içinde kullanılmaya başlanabilir. ABD, Avrupa ve Japonya’daki uzmanlar, birçok sorunun üstesinden geldi ve ilk ham prototiplerin insan denemelerini çoktan başlattılar.

Aalborg Üniversitesi'nde biyotıp mühendisi ve protezin öncülerinden olan Ronald Riso, ‘İşin, geriye kalan en büyük kısmı, artık elimizdeki parçaları birleştirmek’ diyerek ilerlemeyi anlatıyor.

Günümüzde halen kullanımda olan protezler oldukça gelişmiştir. En karmaşık el protezinde, özel sensörler, devreler aracılığıyla elin motorlarına bağlıdır. Sensörler, kişinin kol kaslarındaki elektriksel hareketliliği saptar. Hareketliliğin saptanmasıyla birlikte el de açılıp kapatılabilir.

‘Elektromiyografi’ denen bu sistemde, kişi kol kaslarını gevşetir ve protez elin bir cismi kavramasını sağlar. Motorlar, yaklaşık olarak 1 gün giden yeniden şarj olan pillerle çalışır.

Bu cihazlara, kimi hastalar önem verirken kimileri de temkinli yaklaşıyor. İncelemelerin pek çoğu, hastaların neredeyse yarısının protezlerini düzenli olarak kullanmadıklarını, çünkü onları yararsız, hantal ve çirkin bulduklarını gösteriyor.

Önündeki engeller

Peki geleceğin protezleri nasıl olacak? Cyberhand görüntüsünde olabilecek yeni sistemler, doğrudan sinir sistemine bağlanacak. Bu tasarım, 4 Avrupa ülkesi bilim adamlarının işbirliğiyle geliştirilmekte.

Başlangıç olarak, elin mekanik sistemi çok daha karmaşık olacak. Varolan protezlerden farklı olarak, Cyberhand’in 5 parmağı da ayrı ayrı kontrol edilebilecek şekilde birbirinden bağımsız motorlar içerecek.

İtalya’daki Sant’Anna Merkezi'nde makine mühendisi olan ve protezin mekanik işlemlerini geliştiren Paolo Dario’ya göre, Cyberhand kullanıcıları bir makası kullanabilecek kadar hünerli olacaklar.

Tüm bağlantıları, motorları, sensörleri, elektronik sistemi ve pilleri, bu denli küçük bir alana yerleştirebilmek aslında ince bir mühendislik işi. Ekipten Fabrizio Vecchi, bir diğer önemli sorunun ağırlık olduğunun altını çiziyor.

Elin, gerçeği kadar, yani aşağı yukarı 600 gram olması gerektiğine değinen Vecchi, güç isteyen motorları hatırlatarak, ‘Pillerin sayısı da bir problem’ diyor. Vecchi yine de bu yıl sonuna kadar, elektromyografi ile kontrol edilebilecek bir prototipin hazır olacağını söylüyor.

Bardak tutmanın inceliği

Bu arada diğer Cyberhand araştırmacıları, protez eli, gerçek eli çalıştıran, önkoldaki aynı sinirlere bağlamanın yollarını arıyor. Bunu yapabilmek için, elin elektronik devri ile vücudun sinirleri arasında bir arayüz görevi görecek yeni tür elektrotların geliştirilmesi gerekiyor.

İlk elektrot dizisi beyinden gelecek sinir (motor) sinyallerini kaydedip, bu sinyalleri elin makinelerini hareket ettirebilmek için elektronik sinyallere dönüştürecek. İkinci dizi ise, protez el tarafından üretilen yapay duyuları, koldan beyne giden duyu sinirleri tarafından algılanabilecek sinyallere çevirecekler.

Duyusal geri bildirimi bu denli önemli yapan nedir? Eğer bu olmasaydı, gerçek kol veya bacaklarımızı doğru olarak kullanamazdık.

Sözgelimi bir bardağı tuttuğunuzu düşünün. Ne kadar sıkı tuttuğunuzu bilmezseniz ya elinizden kayar ya da çok sıkıldığı için parçalanır. Cebinizdeki belirli bir anahtara ulaşmak veya ışığı açmak için duyularınıza ihtiyacınız vardır.

Robotla duyusal algı

Deride 4 farklı dokunma reseptöründen ayrı olarak, bir başka duyusal algı da önemli bir rol oynar. Bu, kaslar, tendonlar ve eklemlerden gelen ve vücudun konumlanma ve hareket etmesine ilişkin bilgileri beyne ileten durum duyusudur (proprioception).

Bu, hareketlerin kesin kontrolü ve vücudun ne yaptığının farkında olması için hayati önem taşır. Örneğin, bakmadan kolun hangi şekilde durduğunu anlamak gibi.

Bilim adamlarına göre, böyle bir duyusal geri bildirim, beynin yapay bir kol veya bacağı kullanmayı öğrenmesinde oldukça önemli. Bu, bir bebeğin kol ve bacaklarını ilk kez kullanmasıyla aynı şey.

Duyu nöronları, vücudun bir parçasının istenilen şekilde oynatılmasıyla ilgili bilgiyi ilettiğinde bu, nöronlar arasındaki bağlantıları da güçlendirir.

Duke Üniversitesi'nden Miguel Nicolelis ve ekibi, son birkaç yılda hayvanlar üzerindeki araştırmalarıyla bu fikri sağlamlaştırdılar.

Maymunların beyinlerine isteklerini anlamak için elektrotlar yerleştiren bilim adamları, hayvanların mekanik bir kolu hareket ettirmelerini sağladı. Nicolelis’e göre, başarının arkasında, maymunların kendi hareketlerini izlemelerine izin vermek ve böylece doğru yaptıklarını anlayacak şekilde, pozitif geri bildirim sağlamak yatıyor.

Uzman, ‘Robot kolun özellikleri, sanki vücudun gerçek bir parçasıymış gibi algılanıyordu’ diyor.

Mesele nöronlarla iletişim

Protez bir eli, doğrudan sinir sistemine bağlamanın önündeki en büyük zorluk, bireysel nöronlarla iletişim kurabilecek ve istenilen yerde kalabilecek elektrotlar tasarlamaktır. Uzmanlar, bir elektrotu uzun bir zaman aynı yerde tutmanın zorluğuna dikkat çekiyor.

Geliştirilen, en yeni teknolojiyi taşıyan elektrot, binlerce nörondan oluşan sinir liflerini çevreleyen, yaka şeklindedir. Riso’nun ekibi, bunları geçici olarak gönüllülere yerleştirdiler. Hastaların birçoğu, karıncalanmaya benzer bir hisle karşılaştıklarını kaydettiler.

Ekip, şimdi, bu duygunun uzun vadede ne kadar ‘katlanılabilir’ olduğunu anlayabilmek için elektrotları kalıcı olarak taşıyacak gönüllüler topluyor. Bu gönüllüler hemen protez bir el takmayacaklar, ancak araştırmacılar bu kimselerin Cyberhand’in gelecek versiyonları için denek olabilecekleri görüşünde.

Barcelona Independent Üniversitesi'nden Xavier Navarro’nun Cyberhand uzmanı ekibi, farklı bir yaklaşım deniyor. Ekip, şu anda nörorejenerasyon araştırmalarında yararlanılan ‘kevgir elektrot’u kullanıyor.

Kavrama güçleri var

Adından da anlaşılacağı gibi, bu tip elektrotların her birinde birçok delik bulunuyor ve bu deliklerin her biri de ayrı bir elektrik sinyal gönderme kapasitesine sahip. Bunun amacı, delikler içinde tek bir nöronu geliştirebilmek ve böylece tek bir seferde uyarabilmek.

Bu alandaki en büyük ilerlemeyse, Utah Üniversitesi'ndeki araştırmacılar tarafından yapılmışa benziyor. Ekibin elektrotlardan oluşan düzeneğinde, iğne benzeri noktaların her biri ayrı elektrik sinyalleri iletiyor. Bu cihaz implante edildi, çünkü böylece her bir ‘iğne’, tek bir sinir lifinin yanında bulunabiliyor.

New Scientist bilim dergisinin haberine göre (28 Şubat 2004) araştırmacılara geçen yıl, bu tür bir elektrotu, uzvunu yitirmiş bir kimseye yerleştirebilme izni verildi. Henüz yayımlanmamış çalışmada, yüzeyinde basınç, motorlarındaysa durum duyusu sensörleri bulunan mekanik bir kol, elektrotlara bağlandı.

Ekibin başındaki Ken Horch’a göre, uzmanlar kolu hareket ettirdiklerinde veya bir cismi kavramasını istediklerinde, gönüllüler gereken duyuları algıladıklarını söylediler. Hatta, kavrama gücüne ilişkin de bilgi verdiler.

Şimdilik onda biri

Bu araştırma, başlangıç aşamasında olsa bile, hastaların ‘gerçek duyu hissi’ni tarif edebilmesi iyiye işarettir ve Horch’un elektrotlarının, bir elektrottan bir nörona doğrudan iletişim kurabildiğini gösterir.

İlk nesil biyonik uzuvların, tabii ki kanlı canlı kol ve bacakların duyusal ve motor fonksiyonlarını yerine getirmeleri olanaksız. Bunlar, gerçek bir eldeki bin sensörün ancak 10’una sahip olabilecekler. Zaten, beynin verileri nasıl algılayacağını tam bilmeden onlarca sensörü sıkıştırmanın da bir anlamı yok.

Aktör Christopher Reeve, yaptığı son röportajda, en çok elini tutan bir insanın sıcaklığını özlediğini anlatıyordu. Kimi uzmanlara göre, ‘işte karşı karşı olunan nokta bu.’ Belki de dokunmanın tüm detaylarını değil de, bir parçasını geri kazandırmak mümkün olacak. İşte bu da hayatın kalitesinde büyük bir ilerleme sağlayacak.

BİYONİK KOL NASIL ÇALIŞIYOR?

Kollarını yitiren kimseler, uzun zamandır doğrudan sinir sistemine bağlanabilen biyonik bir aletin düşünü kuruyordu. Yakında bu düşleri gerçeğe dönüşebilir.

Mikroelektrotlar, elektronik devreyi sinir sistemine bağlayacaklar.

El, sinir sistemine sinyalleri, kimi dalgaların zarar vermesini engellemek için radyo vericisi üzerinden gönderebilir.

El içindeki sensörler, kavrama gücünü değerlendirecek.

Her bir parmak, kendi motoruna sahip olacak.

Elin dış kısmındaki dokunma sensörleri, teması değerlendirecek.