När Gyorgy Levay förlorade delar av alla fyra extremiteterna, inklusive större delen av hans vänstra arm, till hjärnhinneinflammation 2010, han bestämde sig för att göra det bästa av en dålig situation.

Han behärskade sina toppmoderna protesersättningar. Han bytte fokus för sina forskarstudier från elektroteknik till biomedicinsk teknik. Den infödde ungraren tyckte till och med att det var intressant hur han fortsatte att känna förnimmelser från den hand han inte längre hade.

Men som de flesta amputerade, han kände att något saknades. Eftersom hans proteser inte hade något känselförnimmelse, de kändes för honom som främmande fasthållanden.

Tack vare ett team av forskare vid Johns Hopkins University, han har lärt sig hur de skulle kännas om de var en del av honom. Levay var den huvudsakliga frivilliga personen i en tvåårig studie vid universitetet som gav en konstgjord lem förmågan att känna tryck och smärta.

Under ledning av Luke Osborn och Nitish Thakor, en doktorand och professor vid Johns Hopkins biomedicinska ingenjörsavdelning, teamet utvecklade en form av "elektronisk hud" som registrerar beröring på ungefär samma sätt som människokroppen gör.

Att bära den där "huden, "en tyg- och gummihölje spetsad med sensorer som teamet kallade e-dermis, på fingertopparna på sin vänstra handprotes, Levay plockade upp flera små, rundade föremål, gjorde sedan samma sak med ett skarpt spetsigt föremål.

När du plockar upp de rundade föremålen, han kände olika nivåer av fysisk press; när du håller det spetsiga föremålet, han kände smärta.

Till Levay, det kändes som om ett livlöst bihang - hans vänstra hand och arm - föds på nytt.

"Normalt känns min "hand" lite som ett ihåligt skal, "sa han i en telefonintervju från hemstaden Budapest." När dessa elektroniska stimulanser började hända, det kändes lite som att fylla en handske med vatten, nästan som om det skulle fyllas på med liv. "

Experimentet markerade första gången en amputerad kunde känna en rad godartade fysiska tryck genom en protesanordning - och första gången någon har känt smärta.

"För första gången, en protes kan ge en rad uppfattningar, från fin beröring till skadlig beröring, till en amputerad, och detta gör det mycket mer som en mänsklig hand, sa Thakor, medgrundare av Infinite Biomedical Technologies, ett litet Baltimore-baserat företag som levererade proteshårdvaran för studien.

En artikel om studien dök upp i tidskriften Science Robotics förra månaden.

Framstegen är de senaste inom ett forskningsområde som har expanderat snabbt under det senaste och ett halvt decenniet, inte mycket tack vare det arbete som utförts på Johns Hopkins.

Det var inte förrän för ungefär fyra år sedan, fastän, att forskare vid Case Western Reserve University i Cleveland och på andra håll började ta steg mot att genomsyra protesanordningar med beröring.

Dessa forskare uppnådde sina resultat genom att fästa elektroniska sensorer på proteser. Dessa små enheter kunde registrera beröring, översätta det till elektroniska signaler och skicka signalerna över en uppsättning ledningar till lämpliga platser i det som återstår av användarnas lemmar.

Varje banbrytande experiment har sina begränsningar, och dessa var inget undantag. Processen krävde invasiv kirurgi – elektroder var tvungna att implanteras i de kvarvarande extremiteterna för att ta emot signalerna och överföra dem över nervsystemet – och arbetet gav bara ett snävt område av tryckförnimmelser.

Hopkins -teamet bestämde sig för att utöka menyn med sensationer, upp till och inklusive smärta – en kategori av känsla som, medan det alltid är obehagligt, fyller en avgörande överlevnadsfunktion.

"Smärta är en känsla vi använder för att skydda våra kroppar, " sa Osborn. "Vi kan ta det för givet, och vi gillar det verkligen inte alltid, men det fungerar som ett varningssystem, hjälper oss att undvika skadliga händelser."

Laget, som inkluderade medlemmar från Johns Hopkins avdelningar för elektroteknik, datateknik och neurologi, vände sig till biologi för sin modell.

De sensoriska receptorcellerna i mänsklig hud, de observerade, finns faktiskt på olika nivåer, med de som ansvarar för smärtsam känsla (nociceptorer) i första hand nära hudens yta och de som är ansvariga för att känna av tryck (mekanoreceptorer) satt djupare.

För att replikera detta system, de utformade e-dermis för att ha sensorer uppdelade i två lager, istället för en som tidigare ingenjörer.

Sedan var utmaningen att "lära" sensorerna i varje lager att generera de sensationer som är lämpliga för det lagret.

På nytt, de vände sig till biologi.

Teamet studerade frekvenserna, amplituder och våglängder för de signaler som kroppen normalt skickar när den genererar förnimmelser av tryck och smärta. Sedan kalibrerade de den sensoriska apparaten för att efterlikna dessa variabler.

Osborn utvecklade detta "neuromorfa" tillvägagångssätt - det vill säga, skapandet av teknologi som efterliknar biologiska mönster.

"Vi visste hur en elektrisk puls för smärta ser ut, såväl som pulser som förmedlar information om tryck, textur och så vidare, "sa han." Vi skapade liknande pulser och matchade dem mot vad ämnena faktiskt uppfattar. "

Nästa utmaning var att se till att systemet var rumsligt korrekt – det vill säga att om kontakt uppstår på pekfingrets protes, hjärnan uppfattar det som att det kommer från den platsen.

De uppnådde detta genom "sensorisk kartläggning - att sondera varje kvadratcentimeter av subjektets kvarvarande lem och notera var motivet "kände" var och en av dessa berör hans "fantom" hand.

Processen gjorde det möjligt för Osborn och företaget att koppla sensorn på pekfingret, till exempel, direkt till nerven i den kvarvarande lemmen som vanligtvis skulle ansluta till det riktiga pekfingret.

Hopkins forskning ger pappa en ny arm, 14 år efter amputation

"De nerverna som brukade gå till din hand finns fortfarande kvar, de är helt enkelt inte anslutna till handen längre, ", sa Osborn. "Genom att stimulera var och en av dessa nerver, vi aktiverar platsen i hjärnan som säger "rosa finger, ' eller 'pekfinger, ' eller 'tumme, 'och känslan ska helst kännas som den skulle ha gjort innan amputationen. "

Efter att ha kartlagt nervmönstren så exakt, teamet kunde undvika att kräva invasiv implantation av metallelektroder i den kvarvarande extremiteten.

De fäste ledningar från protesen till lämpliga platser på extremiteten, men de gjorde det på hudens yta, en process som är mycket lättare i ämnet.

Levay sa att han uppskattade det på många plan.

Han råkade studera biomedicinsk teknik på ett Fulbright-stipendium vid Johns Hopkins när Thakor och Osborn började sin forskning 2015.

Eftersom han var intresserad på en personlig och professionell nivå, och fysiskt i närheten, han gjorde det perfekta volontärämnet för studien, som finansierades av anslag från Johns Hopkins Applied Physics Laboratory och National Institute of Biomedical Imaging and Engineering, en avdelning av National Institutes of Health, bland andra källor.

Gruppen arbetade med ett antal frivilliga amputerade under studien, men eftersom han alltid var tillgänglig under flera månader, Levay framstod som den centrala, tidningens icke namngivna ämne, med titeln "Protes med neuromorf multilagerad e-dermis uppfattar beröring och smärta."

Experimenten var smärtsamma till en början, Levay sa med ett skratt, som Osborn försökte hitta rätt matchning mellan stötarna han levererade och sensationerna Levay kände.

Ju längre de arbetade tillsammans, fastän, ju närmare sambandet blev, tills den enda smärtan han kände under sessionerna kom när han tog upp det spetsiga föremålet, signalerar att experimentet hade uppnått sitt mål.

Den där, han sa, var smärta som han bara var alltför glad för att känna.

"E-dermis fungerar inte perfekt ännu, " sa Levay, "but it's definitely a step further in bringing sensations back to the hand."

©2018 The Baltimore Sun
Distribueras av Tribune Content Agency, LLC.