Ученые разработали бионическую конечность, управляемую напрямую нервными сигналами от культи пациента с ампутированным участком.
Взаимодействие между оставшимися мышцами, центральной нервной системой и протезом осуществляется через мозговой чип, что позволяет пациентам воспринимать положение протеза в пространстве. В настоящее время доступны бионические конечности, которые помогают ампутированным людям легче передвигаться.
Эти устройства базируются на заранее определенных структурах управления, то есть на определенных методах стимуляции ходьбы. Эти методы выполняются протезами и взаимодействуют с рядом датчиков. Однако существующие на данный момент бионические конечности далеки от универсальности и быстродействия натуральной конечности, поскольку они не управляются (по меньшей мере, прямо) нервной системой.
Это мешает гладкости движений и ограничивает спектр возможных движений. Для преодоления этих ограничений были представлены прототипы нейропротезов конечностей, которые полностью управляются нервной системой. Они могут предложить биомеханические возможности, сравнимые с натуральными конечностями.
Тем не менее, создание таких протезов столкнулось с серьезными трудностями, связанными в основном с нейромеханической сложностью конечностей.
Для того чтобы обеспечить движение тела, ноги опираются на сложное и идеально согласованное взаимодействие между сенсорными нервными сигналами (происходящими от сенсорных рецепторов в периферической нервной системе и направленными вверх к центральной нервной системе) и двигательными нервными сигналами (выводимыми от центральной нервной системы к мышцам). Воспроизведение этой синергии с помощью бионических конечностей крайне сложно, особенно учитывая, что при ампутации удаляется значительное количество дистальных тканей, что приводит к потере многих сенсорных рецепторов. За счет использования нового типа хирургического вмешательства исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) впервые продемонстрировали, что естественная походка становится возможной при применении протеза конечности, полностью управляемого нервной системой.
Процедура включает пересоединение мышц культи пациента таким образом, чтобы достичь полного нейронного контроля над протезом, что обеспечивает проприоцептивную обратную связь (восприятие положения различных частей тела без использования зрения). Проект осуществлялся в сотрудничестве с Гарвардской медицинской школой и Женской больницей Бригама.
По словам исследователя бионики из MIT Хью Херра, "Это первое исследование в области протезов, которое показывает, как протез ноги подвергается полной нейронной модуляции, что приводит к биомиметическому подходу". Он также добавил, что никто ранее не смог достичь такого уровня контроля мозга, который обеспечивает естественную походку, когда движениями управляет нервная система человека, а не алгоритм управления машиной.
Восстановление сенсорной обратной связи с конечностями происходит за счет парных мышц, прикрепленных к каждой кости, которые чередуются в процессе сокращения/растягивания в зависимости от типа движения. В случае обычной ампутации костей ниже колена синергия между этими мышцами нарушается из-за потери тканей.
Это затрудняет мозгу точно оценивать положение близлежащих мышц и скорость их сокращения. Такая сенсорная информация необходима мозгу для корректного контроля движений конечностью. Даже при использовании протезов эти нарушения могут привести к неспособности пациентов точно управлять своими движениями.
Новый метод, известный как "агонист-антагонистический мионевральный интерфейс" (AMI), предусматривает начальное соединение концов поврежденных мышц, чтобы они могли продолжать согласованно взаимодействовать в культе. Этот метод может быть применен как в момент ампутации, так и после первичной ампутации в рамках ревизионной процедуры. Более ранние исследования показали, что пациенты, прошедшие данный процесс, лучше контролируют мышцы ампутированной конечности.
Кроме того, восстановленные мышцы вырабатывали электрические сигналы, аналогичные сигналам неувеличенной конечности. После получения обнадеживающих результатов дальнейшим этапом проекта стало оценить, смогут ли электрические сигналы, создаваемые восстановленными мышцами, управлять протезом и обеспечивать проприоцепцию пользователю. Это дало бы возможность пользователю добровольно корректировать свои движения и походку с помощью нейронной обратной связи.
Для испытаний было выбрано 7 пациентов, перенесших стандартную ампутацию нижней части коленного сустава. Новый протез оснащен моторизованной лодыжкой и электродами, которые регистрируют электрические сигналы от передних большеберцовых и гастрокнемических мышц. Эти сигналы передаются на интерфейс управления, который позволяет протезу регулировать степень изгибания лодыжки, вращательный момент и механическую силу, необходимую для выполнения движения. Участники прошли ряд тестов: ходьбу по ровной поверхности на 10 метров, подъем по склону, спуск по наклонной плоскости, подъем и спуск по лестнице, а также ходьбу по ровной поверхности с преодолением препятствий.
Исследователи обнаружили, что пациенты, использовавшие протез AMI, ходили быстрее на 47% по сравнению с теми, кто использовал обычные протезы. Эта скорость была сравнима со скоростью у лиц без ампутаций. Кроме того, участники проявляли более плавные и естественные движения, легче преодолевали препятствия и могли оказывать на землю усилие, сравнимое с здоровыми людьми. Даже при сенсорной обратной связи в размере менее 20% пациенты продемонстрировали естественные движения. Улучшение этой обратной связи позволит повысить контроль нервной системы.
Выводом хирурга из больницы Бригама и Женщин, а также соавтора исследования Мэтью Карти является утверждение, что "Эта работа представляет собой новый этап в показе возможностей восстановления функций у пациентов с тяжелыми повреждениями конечностей".