Ці сучасні протези ніг можуть допомогти людям з ампутаціями досягти природної ходи, але ще не дають повного нервового контролю над кінцівкою.
Використовуючи новий тип хірургічного втручання та нейропротезного інтерфейсу, дослідники Массачусетського технологічного інституту у співпраці з колегами з Brigham and Women’s Hospital показали, що протезом ноги може повністю керувати власна нервова система людини. Тобто природна ходьба стала можливою.
А процедура хірургічної ампутації, відома як агоніст-антагоніст міоневрологічний інтерфейс (АМІ), яка є частиною нової розробки, відновлює зв’язок між м’язами кукси та дозволяє пацієнтам отримувати сенсорний зворотний зв’язок та відчуття, де їхній протез розташований у просторі.
Пацієнти також відчували менший біль і меншу атрофію м’язів після цієї операції. Наразі близько 60 пацієнтів у всьому світі отримали цей вид хірургічного втручання, яке також можна зробити людям з ампутацією руки.
Більшість рухів кінцівок контролюється парами м’язів, які по черзі розтягуються і скорочуються. Під час традиційної ампутації нижче коліна взаємодія цих парних м’язів порушується.
Через це нервовій системі людини важко відчути положення м’яза та швидкість його скорочення — ця сенсорна інформація критична для мозку, щоб вирішити, як рухати кінцівкою.
Тому людям з ампутованими кінцівками стає важко контролювати свої протези.
Натомість вони покладаються на роботизовані контролери, вбудовані в протез. Ці протези також містять датчики, які можуть виявляти схили та перешкоди та пристосовуватися до них.
Щоб спробувати допомогти людям досягти природної ходи, вчені кілька років тому почали розробляти хірургію AMI. Вона зберігає взаємодію між парами м’язів, з’єднуючи їхні кінці. Це можна зробити під час первинної ампутації або пізніше, в рамках ревізійної процедури.
Під час дослідження семи пацієнтів, які перенесли цю операцію, команда Массачусетського технологічного інституту виявила, що вони могли ходити швидше, уникати перешкод і підніматися сходами набагато природніше, ніж люди з традиційною ампутацією.
«Ніхто не зміг продемонструвати такий рівень контролю мозку, який створює природну ходу, де рухом керує нервова система людини, а не роботизований алгоритм керування», — говорить Г’ю Герр, професор медіа-мистецтва та науки, співдиректор Центру біоніки імені Лізи Янг при Массачусетському технологічному інституті, асоційований член Інституту дослідження мозку Массачусетського технологічного інституту та старший автор дослідження.
У дослідженні 2021 року лабораторія Герра виявила, що пацієнти, які перенесли цю операцію, змогли більш точно контролювати м’язи своєї ампутованої кінцівки, і що ці м’язи виробляли електричні сигнали, подібні до сигналів від їхньої неушкодженої кінцівки.
Після цих обнадійливих результатів дослідники вирішили дослідити, чи можуть ці електричні сигнали генерувати команди для протезної кінцівки та водночас давати користувачеві відгук про положення кінцівки в просторі.
У новому дослідженні команда Массачусетського технологічного інституту виявила, що цей сенсорний зворотний зв’язок справді перетворюється на плавну, майже природну здатність ходити та долати перешкоди.
Для цього дослідження вчені порівняли сім людей, які перенесли операцію з АМІ, із сімома, які мали традиційну ампутацію нижче коліна.
Усі люди використовували той самий тип біонічної кінцівки. Дослідники перевіряли пацієнтів у кількох різних ситуаціях: ходьба по рівній землі по 10-метровій доріжці, ходьба вгору по схилу, ходьба вниз по пандусу, ходьба вгору та вниз по сходах і ходьба по рівній поверхні, уникаючи перешкод.
У всіх цих завданнях люди з нейропротезним інтерфейсом AMI могли ходити швидше — приблизно так само, як і люди без ампутацій — і легше обходити перешкоди. Вони також показали більш природні рухи, такі як направлення пальців протеза вгору під час підйому по сходах або переступання через перешкоду, і могли краще координувати рухи своєї протезної та неушкодженої кінцівки. Вони також могли відштовхнутися від землі з такою ж силою, як люди без ампутації.
«З когортою AMI ми побачили, як з’явилася природна поведінка, — каже Герр. – Когорта, яка не мала АМІ, могла ходити, але рухи протезів були неприродними, і їхні рухи були загалом повільнішими».
Природна хода виникала, навіть якщо обсяг сенсорного зворотного зв’язку, який надає нейропротез AMI, становив менше 20% від того, що зазвичай отримують люди без ампутації.
«Одним із головних висновків тут є те, що невелике збільшення нейронного зворотного зв’язку від ампутованої кінцівки може відновити значну біонічну нейронну керованість», - каже Сонг.