Баки Барнс из Marvel, Фуриоса из Безумного Макса: Дорога ярости и Газель из франшизы Kingsman. Что общего у этих вымышленных киногероев? Бионические конечности, которыми они могут владеть с большой точностью. К сожалению, реальная жизнь не догнала голливудский образ сверхчувствительных протезов.
Сегодняшние протезы ног не обеспечивают обратную связь с нервной системой, как неповрежденная конечность, вместо этого полагаясь на роботизированные датчики и контроллеры. которые движутся в соответствии с заранее заданным алгоритмом походки. Но новое исследование Массачусетского технологического института в сотрудничестве с Бригамом и Женской больницей приблизило нас на шаг к тому типу протезного контроля, который мы до сих пор видели только в фильмах.
«Это первое в истории исследование протезирования, которое показывает, что протез ноги находится под полной нейронной модуляцией, при которой возникает биомиметическая походка», — сказал Хью Херр, профессор медиаискусств и наук в Медиа-лаборатории Массачусетского технологического института, содиректор Центр бионики К. Лизы Янг Массачусетского технологического института, ассоциированный член Института исследований мозга Макговерна Массачусетского технологического института и автор-корреспондент исследования.
Ходьба – сложный нейромеханический процесс, взаимодействие нервов и мышц. Что касается нервов, то афферентные нейроны передают сенсорную информацию от кожи (или других органов) вверх по спинному мозгу в головной мозг, где ассоциативные нейроны решают, как реагировать. Затем эфферентные нейроны посылают информацию из головного мозга в спинной мозг к мышцам, сообщая им, какое движение следует выполнять.
Затем есть проприоцепция, то есть способность тела ощущать движение, действие и местоположение, осознание тела в пространстве. В неповрежденных конечностях проприоцепцию облегчают биологические сенсоры в парах мышц, действующие противоположно друг другу, поочередно сокращаясь (так называемый агонист) и растягиваясь (антагонист). При обычных ампутациях ниже колена эти мышцы разрываются, что нарушает проприоцепцию и затрудняет людям управление протезной конечностью, поскольку они не могут точно определить, где находится конечность в пространстве.
Несколько лет назад Херр и его коллеги начали разрабатывать новую хирургическую процедуру под названием «мионевральный интерфейс агонист-антагонист» (АМИ), чтобы воспроизвести проприоцепцию в ампутированной конечности и восстановить нормальную походку людям с ампутированными конечностями. Вместо того, чтобы разрывать естественную пару мышц-агонистов и антагонистов, хирурги соединяют их концы, чтобы они могли общаться друг с другом.
Как бионический протез взаимодействует с хирургически реконструированными мышцами голениSong et al.
«С помощью процедуры ампутации ОИМ мы в максимально возможной степени пытаемся соединить нативные агонисты с нативными антагонистами физиологическим способом, чтобы после ампутации человек мог двигать всей своей фантомной конечностью с физиологическим уровнем проприоцепции и диапазоном движений. движения», — сказал герр.
Исследование 2021 года показало, что у людей с ампутациями ниже колена новая хирургическая техника обеспечивает более точный контроль ампутированной конечности, а оставшиеся мышцы производят электрические сигналы, очень похожие на те, которые производятся в неповрежденной конечности. Неожиданно пациенты с ОИМ также сообщили о гораздо меньшей боли и большем ощущении свободы движений в ампутированных конечностях. В настоящем исследовании изучалось, могут ли эти электрические сигналы генерировать команды для протеза конечности и генерировать проприоцептивную обратную связь, которая позволит пользователю регулировать свою походку по мере необходимости.
Семь человек, перенесших операцию ИМ, сравнивали с семью, перенесшими традиционную ампутацию ниже колена. Всем им дали одну и ту же бионическую конечность, протез с приводной лодыжкой и электродами, прикрепленными к коже, которые воспринимают сигналы электромиографии (ЭМГ) от передней большеберцовой мышцы, которая проходит вдоль внешней стороны голени, и икроножной или икроножной мышцы (у пациентов с ИМ эти две мышцы были хирургически соединены). Сигналы ЭМГ подавались в роботизированный контроллер, который помогал протезу вычислять, насколько сильно согнуть лодыжку, какой крутящий момент приложить или какую мощность подать.
Помощь людям с ампутацией в естественной ходьбе
Участники исследования проходили тестирование в различных сценариях ходьбы: по ровной тропе длиной 10 метров (33 фута), вверх по склону, вниз по пандусу, вверх и вниз по лестнице, а также по ровной поверхности, избегая препятствий. Те, у кого был нейропротезный интерфейс AMI, чувствовали себя лучше: они ходили примерно с той же скоростью, что и люди без ампутации, и легче преодолевали препятствия. Их движения были более естественными, и они могли лучше координировать движения своих протезов и неповрежденных конечностей. Они также могли оттолкнуться от земли с той же силой, что и человек без ампутации.
«Благодаря нейропротезному интерфейсу AMI мы смогли усилить эту нейронную сигнализацию, сохранив столько, сколько смогли», — сказал Хёнгын Сон, постдокторант Медиа-лаборатории Массачусетского технологического института и ведущий автор исследования. «Это позволило восстановить нейронную способность человека непрерывно и напрямую контролировать полную походку при различных скоростях ходьбы, лестницах, наклонах и даже при преодолении препятствий».
Эти результаты наблюдались, несмотря на сенсорную обратную связь. предоставляемая АМИ, составляла менее 20% от того, что получали бы люди без ампутаций.
«Одним из основных выводов здесь является то, что небольшое увеличение нейронной обратной связи от вашей ампутированной конечности может восстановить значительную бионическую нейронную управляемость до такой степени, что вы позволите людям напрямую нейронно контролировать скорость ходьбы, адаптироваться к различной местности и избегать препятствий. », — сказал Сонг.
Это шаг к цели лаборатории герра — лучше интегрировать человека и его протез, а не просто сосредоточиться на создании все более технологически продвинутых бионических конечностей.
«Проблема При таком долгосрочном подходе пользователь никогда не будет чувствовать себя связанным со своим протезом», — сказал Герр. «Они никогда не стали бы рассматривать протез как часть своего тела, часть себя. Подход, который мы применяем, заключается в попытке всесторонне соединить мозг человека с электромеханикой».
Во всем мире около 60 пациентов перенесли операцию по поводу ОИМ, которую также можно использовать у людей с руками. по словам исследователей, ампутации.
Результат исследования был опубликован в журнале Nature Medicine.
