Az idegrendszer által vezérelt protézis segít az amputált embereknek a természetes járásban
„Ez az első olyan protézisvizsgálat a történelemben, amely egy lábprotézist mutat be teljes idegi moduláció mellett” - mondja Hugh Herr. „Senki sem tudta eddig bemutatni az agyi irányításnak ezt a szintjét, amely természetes járást eredményez, ahol az ember idegrendszere irányítja a mozgást, nem pedig egy robotvezérlő algoritmus” - mondja Hugh Herr.
A legmodernebb protézisek segíthetnek az amputált embereknek a természetes járás elérésében, de nem adnak teljes idegi kontrollt a felhasználónak a végtag felett. Ehelyett robotikus érzékelőkre és vezérlőkre támaszkodnak, amelyek előre meghatározott járási algoritmusok alapján mozgatják a végtagot.
Az MIT kutatói a Brigham and Women's Hospital munkatársaival együttműködve egy újfajta sebészeti beavatkozás és neuroprotézis interfész segítségével kimutatták, hogy a természetes járás elérhető egy teljesen a test saját idegrendszere által vezérelt lábprotézissel. A sebészi amputációs eljárás újra összekapcsolja a maradék végtag izmait, ami lehetővé teszi a betegek számára, hogy „proprioceptív” visszajelzést kapjanak arról, hogy a protézisük hol van a térben.
Az MIT csapata hét, ilyen műtéten átesett páciens vizsgálatában azt találta, hogy a betegek gyorsabban tudtak járni, kikerülni az akadályokat, és sokkal természetesebben tudtak lépcsőt mászni, mint a hagyományos amputáción átesett emberek.
„Ez az első olyan protézisvizsgálat a történelemben, amely egy lábprotézist mutat be teljes idegi moduláció alatt, ahol biomimetikus járás alakul ki. Senki sem tudta eddig bemutatni az agyi irányításnak ezt a szintjét, amely természetes járást eredményez, ahol az emberi idegrendszer irányítja a mozgást, nem pedig egy robotvezérlő algoritmus” - mondja Hugh Herr, a médiaművészetek és -tudományok professzora, az MIT K. Lisa Yang Bionikai Központjának társigazgatója, az MIT McGovern Institute for Brain Research társult tagja és az új tanulmány vezető szerzője.
A betegek kevesebb fájdalmat és izomsorvadást is tapasztaltak ezt a műtétet követően, amelyet agonista-antagonista myoneurális interfésznek (AMI) neveznek. Eddig világszerte mintegy 60 betegnél végezték el ezt a fajta műtétet, amely karamputációval élőknél is elvégezhető.
Hyungeun Song, az MIT Media Lab posztdoktora a vezető szerzője a Nature Medicine című folyóiratban ma megjelent tanulmánynak.
Érzékszervi visszajelzés
A legtöbb végtagmozgást izompárok irányítják, amelyek felváltva feszülnek és húzódnak össze. A hagyományos térd alatti amputáció során ezeknek az izompároknak a kölcsönhatása megszakad. Ez nagyon megnehezíti az idegrendszer számára, hogy érzékelje egy izom helyzetét és azt, hogy milyen gyorsan húzódik össze - ezek az érzékszervi információk kritikus fontosságúak az agy számára, hogy eldöntse, hogyan kell mozgatni a végtagot.
Az ilyen amputációval élők nehezen tudják irányítani a művégtagjukat, mert nem tudják pontosan érzékelni, hogy a végtag hol van a térben. Ehelyett a művégtagba épített robotvezérlőkre támaszkodnak. Ezek a végtagok olyan érzékelőket is tartalmaznak, amelyek képesek érzékelni a lejtőket és az akadályokat, és alkalmazkodni azokhoz.
Herr és kollégái néhány évvel ezelőtt kezdték el kifejleszteni az AMI-műtétet, hogy segítsenek az embereknek a természetes járás elérésében, teljes idegrendszeri kontroll alatt. Ahelyett, hogy megszakítanák a természetes agonista-antagonista izom kölcsönhatásokat, összekötik az izmok két végét, hogy azok továbbra is dinamikusan kommunikáljanak egymással a végtagon belül. Ez a műtét elvégezhető az elsődleges amputáció során, vagy az izmok az eredeti amputáció után, egy revíziós eljárás részeként újra összekapcsolhatók.
„Az AMI amputációs eljárással a lehető legnagyobb mértékben megpróbáljuk a natív agonistákat a natív antagonistákkal fiziológiás módon összekapcsolni, hogy az amputáció után a személy a teljes fantom végtagját a propriocepció és a mozgástartomány fiziológiás szintjével mozgatni tudja” - mondja Herr.
Egy 2021-es tanulmányban Herr laboratóriuma megállapította, hogy azok a betegek, akiknek ilyen műtétjük volt, pontosabban tudták irányítani amputált végtagjuk izmait, és hogy ezek az izmok az ép végtagjukéhoz hasonló elektromos jeleket produkáltak.
E biztató eredmények után a kutatók azt kezdték vizsgálni, hogy ezek az elektromos jelek képesek-e parancsokat generálni egy művégtag számára, és egyúttal visszajelzést adni a felhasználónak a végtag térbeli helyzetéről. A művégtagot viselő személy ezt a proprioceptív visszajelzést felhasználhatná arra, hogy szükség szerint akaratlagosan beállítsa a járását.
A Nature Medicine új tanulmányában az MIT csapata úgy találta, hogy ez az érzékszervi visszajelzés valóban egy zökkenőmentes, természetközeli járás és az akadályok közötti navigáció képességét eredményezi.
„Az AMI neuroprotézis interfésznek köszönhetően képesek voltunk felerősíteni ezt az idegi jelátvitelt, megőrizve, amennyire csak tudtuk. Ez képes volt helyreállítani a személy neurális képességét a teljes járás folyamatos és közvetlen irányítására, különböző járási sebességeken, lépcsőkön, lejtőkön, sőt még az akadályokon való átkelésen is” - mondja Song.
