Бионична протеза за крак се контролира напълно от нервната система

Изследователи от Масачузетския технологичен институт и колегите им от Болница „Бригам и жени“ на Харвардското медицинско училище, САЩ, показват, че естествената походка е напълно постижима с помощта на протеза на крака, която се задвижва изцяло от нервната система. Това става възможно след нов тип хирургическа интервенция и с невропротетичен интерфейс.

Изследването, публикувано от екипа в Nature Medicine, показва как нервната система може да взаимодейства с бионичната протеза на крака така, както контролира движението на мускулите и връзките на истинските човешки крайници.

Операцията, известна като мионеврален интерфейс агонист-антагонист (AMI)

Повечето от движенията на крайниците се контролират от двойка мускули, които се редуват да се разтягат и свиват. При традиционната ампутация под коляното взаимоотношенията между тях се нарушават. В резултат на това е много трудно нервната система да усети позицията на мускула и колко бързо той се свива. А това е сензорна информация, която има решаващо значение за мозъка, за да реши как да движи крайника. В тези случаи хората имат проблеми с контролирането на протезата си, защото не са в състояние да усетят къде се намира крайникът им. Разчитат на роботизирани контролери, вградени в протезата, и на сензори, които откриват и се приспособяват към препятствия и наклони.

Преди няколко години проф. Хю Хер, заместник-директор на Центъра за бионика и член на Института за изследване на мозъка в Масачузетския технологичен институт, и екипът му насочват усилията си към разработването на операцията, известна като мионеврален интерфейс агонист-антагонист (AMI). Целта е да помогнат на хората да имат походка, която е естествена и е изцяло под контрола на нервната им система.

Вместо да прекъсват естествените мускулни взаимодействия агонист-антагонист, невролозите свързват двата края на мускулите и по този начин те все още продължават да комуникират един с друг в рамките на остатъчния крайник. От екипа поясняват, че процедурата може да се извърши по време на първичната ампутация. Възможно е обаче мускулите да бъдат свързани отново и на следващ етап.

„С процедурата по ампутация чрез мионеврален интерфейс агонист-антагонист ние се опитваме във възможно най-голяма степен да свържем нативните агонисти с нативните антагонисти по физиологичен начин, за да може след ампутацията човекът да движи целия си фантомен крайник с физиологичните нива на проприоцепцията и обхвата на движение“, коментира проф. Хю Хер.

В проучване от 20221 г. екипът установява, че хората, на които е приложена тази операция, успяват да контролират по-прецизно мускулите на ампутирания крайник. Мускулите произвеждат електрически сигнали, подобни на тези от целия крак, откриват още учените.

Резултатите дават увереност на групата да започне нови проучвания. Задачата е да се види дали тези електрически сигнали могат да предизвикат команди към протезата като в същото време дадат на човека обратна връзка за позицията й в пространството.

Настоящото изследване, резултатите от което са публикувани в списанието Nature Medicine, установява, че сензорната обратна връзка се превръща в почти естествена способност за ходене и преодоляване на препятствия.

„Благодарение на невропротезния интерфейс на AMI ние успяхме да засилим невронната сигнализация, което възстанови невронната способност на човека непрекъснато и директно да контролира походката си при различна скорост, при изкачване на стълби, наклони и дори при преминаване през препятствия“, казва друг от участниците в екипа д-р Хюнгейн Сонг

Изследването

Общо 14 души са част от проучването. На седем от тях е направена операция AMI, а на другите седем е извършена традиционната ампутация под коляното. Всички използват един и същ тип бионичен крайник – протеза със задвижван глезен и електроди, които са в състояние да усетят електромиографски сигнали от предния тибиален мускул на стомашно-чревния мускул. Сигналите се подават в роботизиран контролер, който помага на протезата да изчисли колко да огъне глезена или каква да е мощността.

>>>Присил Дебора – французойката с бионична ръка, която научи всичко за щастието да живееш

Невролозите разработват и специален тип интерфейси, които им позволяват за наблюдават активността на мускулите в крайниците, които не са ампутирани, като ги използват, за да контролират работата на бионичната протеза. Наблюдават как електрическата активност на мускулите на здравите ръце и крака се променя по време на движения и действия. Получените данни използват за създаването на програма, която чете сигнали от мускулите и принуждава протезата да приеме желаната форма по време на движение.

Изследователите тестват участниците в различни ситуации, например, ходене върху равна повърхност по пътека, дълга 10 метра, нагоре по наклон, надолу по рампа, нагоре и надолу по стълби. Сравнението между двете групи показва, че при всички задачи седмината с невропротетичен интерфейс на AMI ходят по-бързо, изкачват се по стълбите и избягват препятствията много по-естествено и леко от хората, на които е извършена традиционната ампутация. И още успяват да координират много по-естествено движенията между здравия и крайника с протеза.

>>>Регенерация: протеини превръщат фибробластите в клетки на крайниците

Както споделя проф. Хю Хер, самият той е с два ампутирани крака: „Това е първото протетично изследване в историята, което показва протеза на крак под пълна невронна модулация и с биомиметична походка. Никой не е успял да покаже това ниво на мозъчен контрол, което създава естествената походка, при която движението контролира нервната система на човека, а не роботизиран алгоритъм за управление.“

Хирургът от болница „Бригам и жени“ и преподавател в Харвардското медицинско училище доц. Матю Карти коментира от своя страна: „Настоящото проучване е ще една стъпка в посока на това, какво е възможно, когато става дума за възстановяване функциите на пациенти с тежко наранени крайници. Точно чрез общите ни усилия може да постигнем напредък и промяна в грижата за хората“.

>>>Протеза от ауксетици расте заедно с детето, на което е поставена

Активирането на нервен контрол от човека е важен момент от голямата цел на екипа на проф. Хер, която е свързана с възстановяването на човешките тела и възможността хората да разчитат на собствените си сили, а не на сложни роботизирани сензори, които са безспорно мощни инструменти, но не са част от тялото.

„Подходът ни е да свържем цялостно мозъка на човека на електромеханиката“, казва проф. Хер, който е категоричен, че невропротезираните крака, задвижвани от човешката нервна система и без да разчитат на вътрешен контролен на походката, могат да отключат бионични способности, близки до тези на здравите крайници.

Ампутацията не е присъда

Проф. Хю Хер, когото определят като лидер на бионичната епоха заради работата му в областта на биомехатрониката – технология, която съчетава човешката физиология с електромеханиката, е доказателство за това, че ампутацията не е присъда.

През януари 1982 г. той и негов приятел, и двамата талантливи и опитни алпинисти, предприемат изкачване на връх в североизточната част на САЩ. Влошената метеорологичната обстановка кара Хю Хер и Джеф Бацер да слязат от грешната страна на планината. В продължение на четири дни се опитват оцелеят въпреки жестокия студ. Спасителният отряд ги открива в близост до една скала. Те са живи, но Хю Хер губи и двата си крака в резултат на измръзването, а приятелят му левия крак и пръстите на дясната ръка.

Това поставя началото на работата на проф. Хер, посветена на по-добрите възможности и надежда за хората с физически увреждания.