Дело в хирургии: управляемый нервной системой протез помог вернуть естественную походку

Современные протезы помогают людям с ампутациями ног добиться более-менее естественной походки. Но они не дают пользователю полного контроля над искусственной конечностью. Ради этого приходится применять роботизированные датчики и контроллеры, которые помогают ставить механическую ногу по заранее заданным алгоритмам.

Использовав хирургию и нейропротез, исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) в сотрудничестве с коллегами из бостонской клиники «Бригем энд уименс» доказали, что естественная походка достижима с использованием протеза ноги, полностью управляемого собственной нервной системой человека. Хирургическая процедура после ампутации восстанавливает мышцы культи, что позволяет пациентам получать обратную связь, фактически чувствуя, где именно в пространстве находится их протез.



В ходе исследования семи пациентов, перенесших специальную операцию, специалисты MIT обнаружили, что те смогли ходить быстрее, избегать препятствий и подниматься по лестнице гораздо естественнее, чем люди с традиционным протезированием.

Профессор Хью Герр заявил, что речь идёт о первом в истории протезировании, при котором протез ноги используется при полной нервной модуляции, благодаря чему возникает биомиметическая (естественная) походка. Пациенты также испытывали меньшую боль и мышечную атрофию после инновационной операции, которая известна как мионевральный интерфейс «агонист-антагонист» (AMI).

Поясним, что для подвижности конечностей мускулы работают слаженно и группами. По своей работе мышцы делятся, в том числе, на агонисты и антагонисты. Первые берут на себя основную нагрузку при выполнении определённого действия, как, например, бицепс при сгибании руки в локте. Вторые, антагонисты, работают в разных направлениях. Так, трёхглавая мышца, участвующая в разгибании руки в локте, будет антагонистом трицепсу. Вообще, агонисты и антагонисты в зависимости от того действия, что мы хотим совершить, могут меняться местами.

AMI — подход к нейронному взаимодействию, разработанный для усиления волевого контроля над адаптированными протезами, сохранения проприоцепции (ощущение своего тела) и предотвращения атрофии конечности после утраты её части. На сегодняшний день около 60 пациентов по всему миру прошли через такую операцию, причём технология применима также в помощь тем, кто утратил руку.

Итак, большинство движений конечностями контролируется парами мышц, которые поочерёдно растягиваются и сокращаются. При традиционной ампутации ноги ниже колена взаимодействие этих парных мышц нарушается. И это очень затрудняет восприятие нервной системой положения мускула и скорости его сокращения — той сенсорной информации, которая имеет решающее значение для мозга, чтобы решить, как двигать конечностью.

Впоследствии у таких пациентов могут возникнуть проблемы с управлением протезом, поскольку они не могут точно определить, где конечность находится в пространстве. Вместо этого они полагаются на роботизированные контроллеры, встроенные в протез. Датчики также помогают замечать уклоны на дороге и препятствия, чтобы вовремя на них отреагировать.

Чтобы помочь людям добиться естественной походки под полным контролем нервной системы, Герр и его коллеги несколько лет назад начали разрабатывать хирургию AMI. Вместо того, чтобы разрывать естественные мышечные взаимодействия «агонист-антагонист», они соединяют два конца мышц, так что те по-прежнему динамически взаимодействуют друг с другом в культе. Такую операция можно провести или при первичной ампутации, или мышцы можно соединить со временем, во время хирургической ревизии.

При процедуре ампутации с учётом AMI врачи пытаются, насколько возможно, соединить естественные агонисты с естественными антагонистами физиологическим способом. Благодаря этому после ампутации пациент может мысленно свободно двигать своей фантомной (воображаемой, как присутствующая) конечностью с физиологическим уровнем проприоцепции и диапазона движений.

В исследовании 2021 года в лаборатория Хью Герра обнаружили, что пациенты, перенесшие такую операцию, смогли более точно контролировать мышцы в культе ампутированной конечности, и что эти мышцы испускали электрические импульсы, аналогичные сигналам от неповреждённой конечности.



После столь обнадёживающих результатов исследователи решили выяснить, могут ли эти электрические сигналы в культе, прооперированной по методу AMI, генерировать команды для протеза и в то же время давать пациенту обратную связь о положении конечности в пространстве. Пользователь протеза может затем использовать эту проприоцептивную обратную связь для произвольной корректировки своей походки по мере необходимости.

В новом исследовании специалисты из MIT обнаружили, что эта сенсорная обратная связь действительно приводит к плавной, почти естественной способности ходить и преодолевать препятствия. Хенген Сон, соавтор научного проекта и статьи о нём в журнале Nature Medicine, объяснил, что благодаря нейропротезному интерфейсу AMI они с коллегами смогли усилить передачу нервных сигналов, сохранив их настолько, насколько было возможно. Это позволило вернуть утратившему ногу способность за счёт собственной нервной системы постоянно и непосредственно контролировать походку и в целом, и при различной скорости ходьбы, на лестницах, при спусках и даже преодолевая препятствия.

В ходе исследования учёные сравнили успехи семи человек, перенесших операцию AMI, с семёркой пациентов, которым формировали при ампутации культю ниже колена методами традиционной хирургии. Причём все наблюдаемые носили один и тот же тип бионической конечности: протез с подвижным голеностопом и с электродами, которые могут воспринимать электромиографические (ЭМГ) сигналы от икроножных мышц. Сигналы поступают в роботизированный контроллер, который помогает протезу рассчитать, насколько сильно нужно согнуть голеностоп.

Исследователи наблюдали походку испытуемых в различных ситуациях: ходьба по ровной 10-метровой дорожке, подъём по склону, спуск по пандусу, подъём и спуск по лестнице и ходьба по ровной поверхности с обходом препятствий.

В ходе тестов испытуемые с нейропротезным интерфейсом AMI могли ходить быстрее — примерно с той же скоростью, что и вполне здоровые люди на своих двоих, и им легче давались препятствия. Они также демонстрировали более естественные движения, такие как направление носка протеза вверх при подъёме по лестнице или при перешагивании препятствия. А ещё им лучше удавалось координировать движения протеза со своей родной ногой. Они даже отталкивались от земли протезом с той же силой, что и собственной стопой.

Среди прооперированных по методу AMI учёные увидели восстановление естественного биомиметического поведения, подчеркнул Герр. А контрольная группа без AMI шагали менее естественным образом, к тому же медленнее.

Более плавная походка наблюдалась несмотря на то, что количество сенсорной обратной связи, обеспечиваемой AMI, составляло менее 20% от работы ног полностью здоровых людей, без ампутации.

В заключение Герр подчеркнул, что предложенный его командой подход заключается в попытке всесторонне соединить мозг человека с электромеханикой. И они, похоже, на верном пути.