Hoe houden de hersenen ons rechtop? En waarom faalt dat systeem naarmate we ouder worden? Een onderzoeksteam van de Universiteit van British Columbia (UBC) gelooft dat robotica het antwoord kan bieden. Met behulp van een unieke ‘swaprobot’ voor het hele lichaam zijn wetenschappers in staat geweest om veranderingen in lichaamsmechanica en sensorische vertraging met ongekende precisie te simuleren. Hun bevindingen kunnen de weg vrijmaken voor nieuwe interventies om valpartijen bij ouderen te voorkomen en kunnen inspiratie bieden voor meer mensachtige robotica.
Balans is iets waar de meeste mensen alleen aan denken als het niet goed gaat. Toch is het handhaven van de houding een van de meest complexe taken die het zenuwstelsel uitvoert, waarbij voortdurend informatie uit het binnenoor, de ogen en sensorische zenuwen in spieren en gewrichten wordt geïntegreerd. De hersenen moeten een verschuiving in beweging detecteren, deze verwerken en signalen terugsturen naar het lichaam, en dat alles binnen fracties van een seconde. Door ouderdom of ziekte vertraagt dit circuit, waardoor het risico op vallen toeneemt.
'In een ander lichaam stappen' met een robot
Om evenwichtsstoornissen beter te begrijpen, hebben onderzoekers van de UBC een robotplatform gebouwd dat in staat is om de fysica van menselijke bewegingen tijdelijk aan te passen. Deelnemers staan rechtop tegen een rugleuning, vastgemaakt aan het apparaat, terwijl krachtplaten en uiterst nauwkeurige motoren de bewegingskrachten in realtime aanpassen. Met dit systeem kunnen wetenschappers de traagheid, de zwaartekracht en de spierdemping manipuleren, de kernelementen die ons ervan weerhouden om te vallen.
Naast deze mechanische veranderingen kan de robot een korte vertraging introduceren die gelijk is aan een vertraagde zenuwsignaaloverdracht. Een vertraging van 200 milliseconden, ongeveer één oogwenk, zorgt ervoor dat evenwichtsreacties te laat komen. Bij veel deelnemers leidde dit tot overdreven wiebelen en bijna-valpartijen, wat overeenkomt met wat er gebeurt wanneer sensorische feedback vertraagt door ouderdom of neurologische aandoeningen.
Volgens hoofdonderzoeker Dr. Jean-Sébastien Blouin kunnen wetenschappers hierdoor evenwichtsstoornissen met gecontroleerde precisie observeren. "In een oogwenk laat de robot ons de regels van je lichaam herschrijven. Je beweegt volgens andere fysische wetten, bijna alsof je in een nieuw lichaam stapt.“
Vertraagde feedback
De onderzoekers voerden een onderzoek in drie fasen uit. Eerst introduceerden ze vertraagde feedback en observeerden ze een afname van de stabiliteit. Vervolgens veranderden ze de lichaamsmechanica zonder vertraging, waardoor de traagheid werd verminderd of ”negatieve viscositeit" werd toegepast, waardoor bewegingen werden versneld in plaats van zelfcorrigerend. De deelnemers vertoonden dezelfde instabiliteit en velen gaven aan dat beide omstandigheden vergelijkbaar aanvoelden. Dit suggereert dat de hersenen ruimte en tijd verwerken met behulp van een uniforme strategie.
Ten slotte testte het team of het aanpassen van de lichaamsmechanica de vertraagde feedback kon compenseren. Door de traagheid en viscositeit te verhogen, kregen 10 nieuwe deelnemers ondanks de sensorische vertraging weer controle. De instabiliteit nam met tot wel 80 procent af. Voor het eerst toonden wetenschappers aan dat het aanpassen van mechanisch gedrag de vertraagde neurale communicatie kan tegengaan. De bevindingen van het onderzoek zijn deze week gepubliceerd in Science Robotics, in samenwerking met Erasmus MC.
Nieuwe technologie voor valpreventie
Vallen blijft een van de meest kostbare en levensveranderende gebeurtenissen bij ouderen, die vaak leiden tot ziekenhuisopname, verlies van onafhankelijkheid en toegenomen zorgbehoeften. Alleen al in Canada kosten valgerelateerde verwondingen het gezondheidszorgsysteem jaarlijks meer dan 5 miljard dollar.
Vertraagde neurale feedback kan niet worden teruggedraaid, maar dit onderzoek suggereert dat we het lichaam in plaats daarvan mechanisch kunnen ondersteunen. De ontdekking opent de deur naar innovaties zoals:
- Wearables die de weerstand tijdens beweging subtiel verhogen
- Slimme revalidatiesystemen die patiënten trainen om zich aan te passen aan tragere sensorische feedback
- Mobiliteitshulpmiddelen die het looppatroon automatisch stabiliseren met behulp van fysica-gebaseerde compensatie
- Robotica die natuurlijker beweegt door de evenwichtsstrategie van het menselijk brein na te bootsen
De robot zal binnenkort worden geïnstalleerd in het Gateway-gezondheidsgebouw van de UBC, waar multidisciplinaire teams op het gebied van evenwichtsonderzoek, engineering en verouderingswetenschap nieuwe hulpmiddelen zullen ontwikkelen voor veiligere mobiliteit en gezond ouder worden.
Door neurowetenschap en robotica te combineren, bieden UBC-onderzoekers nieuwe inzichten in hoe de hersenen omgaan met ruimte, kracht en tijd. Hun werk kan van cruciaal belang blijken te zijn voor het verminderen van het valrisico wereldwijd, stap voor stap.
