Najsavremeniji protetski udovi mogu pomoći ljudima sa amputacijama da postignu prirodan hod, ali ne daju korisniku potpunu neuronsku kontrolu nad udom. Umesto toga, oslanjaju se na robotske senzore i kontrolere koji pomeraju ud koristeći unapred definisane algoritme hoda.
Koristeći novu vrstu hirurške intervencije i neuroprostetičkog interfejsa, istraživači sa MIT-a, u saradnji sa kolegama iz Brigama i Ženske bolnice, pokazali su da je prirodan hod moguće postići korišćenjem protetske noge koju u potpunosti pokreće sopstveni nervni sistem tela. Procedura hirurške amputacije ponovo povezuje mišiće u zaostalom ekstremitetu, što omogućava pacijentima da dobiju „proprioceptivnu“ povratnu informaciju o tome gde se njihov protetski ud nalazi u svemiru.
U studiji na sedam pacijenata koji su imali ovu operaciju, tim MIT-a je otkrio da su mogli da hodaju brže, izbegavaju prepreke i da se penju uz stepenice mnogo prirodnije od ljudi sa tradicionalnom amputacijom.
„Ovo je prva protetska studija u istoriji koja pokazuje protezu nogu pod punom neuronskom modulacijom, gde se pojavljuje biomimetički hod. Niko nije uspeo da pokaže ovaj nivo kontrole mozga koji proizvodi prirodan hod, gde ljudski nervni sistem kontroliše pokret, a ne robotski kontrolni algoritam“, kaže Hju Her, profesor medijske umetnosti i nauke, ko-direktor Centra za bioniku K. Lisa Jang na MIT-u, pridruženi član MIT-ovog McGovern instituta za istraživanje mozga i viši autor nove studije.
Pacijenti su takođe imali manje bolova i manju atrofiju mišića nakon ove operacije, koja je poznata kao mioneuralni interfejs agonist-antagonist (AMI). Do sada je oko 60 pacijenata širom sveta obavilo ovu vrstu operacije, koja se može uraditi i osobama sa amputacijom ruke.
Hiungeun Song, postdok u MIT-ovoj laboratoriji za medije, glavni je autor rada, koji se pojavljuje u Nature Medicine.
Senzorna povratna informacija
Većinu pokreta udova kontrolišu parovi mišića koji se naizmenično istežu i skupljaju. Tokom tradicionalne amputacije ispod kolena, interakcije ovih uparenih mišića su poremećene. Ovo otežava nervnom sistemu da oseti položaj mišića i brzinu njegovog skupljanja – senzorne informacije koje su ključne za mozak da odluči kako da pomeri ud.
Ljudi sa ovom vrstom amputacije mogu imati problema da kontrolišu svoj protetski ud jer ne mogu tačno da osete gde se ud nalazi u svemiru. Umesto toga, oslanjaju se na robotske kontrolere ugrađene u protetski ekstremitet. Ovi udovi takođe uključuju senzore koji mogu da detektuju i prilagođavaju se nagibima i preprekama.
Da bi pokušali da pomognu ljudima da postignu prirodan hod pod potpunom kontrolom nervnog sistema, Herr i njegove kolege su pre nekoliko godina počeli da razvijaju operaciju AMI. Umesto da prekidaju prirodne interakcije mišića agonista-antagonista, oni povezuju dva kraja mišića tako da i dalje dinamički komuniciraju jedni sa drugima unutar preostalog ekstremiteta. Ova operacija se može uraditi tokom primarne amputacije, ili se mišići mogu ponovo povezati nakon početne amputacije kao deo revizijske procedure.
„Postupkom amputacije AMI, u najvećoj mogućoj meri, pokušavamo da povežemo nativne agoniste sa nativnim antagonistima na fiziološki način tako da nakon amputacije, osoba može da pomera svoj pun fantomski ud sa fiziološkim nivoima propriocepcije i opsega pokreta,“ Herr kaže.
U studiji iz 2021. godine, Herrova laboratorija je otkrila da su pacijenti koji su imali ovu operaciju mogli preciznije da kontrolišu mišiće svog amputiranog ekstremiteta i da su ti mišići proizvodili električne signale slične onima sa njihovog netaknutog ekstremiteta.
Nakon ovih ohrabrujućih rezultata, istraživači su krenuli da istraže da li ti električni signali mogu da generišu komande za protetski ud i istovremeno daju korisniku povratnu informaciju o položaju udova u prostoru. Osoba koja nosi protetski ud bi tada mogla da koristi tu proprioceptivnu povratnu informaciju da voljno prilagodi svoj hod po potrebi.
U novoj studiji, tim MIT-a je otkrio da se ova senzorna povratna informacija zaista pretvorila u glatku, skoro prirodnu sposobnost hodanja i navigacije kroz prepreke.
„Zbog AMI neuroprostetičkog interfejsa, uspeli smo da pojačamo tu neuronsku signalizaciju, čuvajući onoliko koliko smo mogli. Ovo je bilo u mogućnosti da vratimo neuralnu sposobnost osobe da kontinuirano i direktno kontroliše pun hod, preko različitih brzina hoda, stepenica, nagiba , čak i prelazak preko prepreka“, kaže Song.
Za ovu studiju, istraživači su uporedili sedam ljudi koji su imali operaciju AMI sa sedam koji su imali tradicionalne amputacije ispod kolena.
Svi subjekti su koristili isti tip bioničkih udova: protezu sa skočnim zglobom sa pogonom, kao i elektrode koje mogu da osete elektromiografske (EMG) signale iz tibijalnog anteriornog mišića gastroknemija. Ovi signali se unose u robotski kontroler koji pomaže protezi da izračuna koliko da savije skočni zglob, koliki obrtni moment da primeni ili koliko snage da isporuči.
Istraživači su testirali subjekte u nekoliko različitih situacija: hodanje po ravnom terenu preko staze od 10 metara, hodanje uz padinu, hodanje niz rampu, hodanje gore-dole stepenicama i hodanje po ravnoj površini izbegavajući prepreke.
U svim ovim zadacima, ljudi sa AMI neuroprostetičkim interfejsom bili su u stanju da hodaju brže — otprilike istom brzinom kao i ljudi bez amputacija — i lakše se kreću oko prepreka. Takođe su pokazali prirodnije pokrete, kao što je usmeravanje nožnih prstiju proteze prema gore dok se penju uz stepenice ili prekoračuju prepreku, i bili su u stanju da bolje koordiniraju pokrete svog protetskog ekstremiteta i svog netaknutog ekstremiteta. Takođe su bili u stanju da se odgurnu od zemlje istom količinom sile kao neko bez amputacije.
„Sa kohortom AMI, videli smo da se pojavljuju prirodna biomimetička ponašanja“, kaže Her. „Kohorta koja nije imala AMI, mogli su da hodaju, ali protetski pokreti nisu bili prirodni, a njihovi pokreti su uglavnom bili sporiji.“
Ova prirodna ponašanja su se pojavila iako je količina senzorne povratne informacije koju daje AMI bila manja od 20% onoga što bi se normalno primilo kod ljudi bez amputacije.
„Jedan od glavnih nalaza je da mali porast neuronske povratne informacije sa vašeg amputiranog uda može vratiti značajnu bioničku neuralnu kontrolu, do tačke u kojoj ljudima omogućavate da direktno neuralno kontrolišu brzinu hodanja, prilagođavaju se različitom terenu i izbegavaju prepreke“, kaže Song.
„Ovaj rad predstavlja još jedan korak u nama pokazujući šta je moguće u smislu obnavljanja funkcije kod pacijenata koji pate od teških povreda ekstremiteta. Kroz zajedničke napore kao što je ovaj, možemo da napravimo transformacioni napredak u nezi pacijenata“, kaže Metju Karti, hirurg u Brigam i ženskoj bolnici i vanredni profesor na Harvardskoj medicinskoj školi, koji je i autor rada.
Omogućavanje neuronske kontrole od strane osobe koja koristi ud je korak ka Herrovom cilju laboratorije „obnove ljudskih tela“, umesto da se ljudi oslanjaju na sve sofisticiranije robotske kontrolere i senzore – alate koji su moćni, ali se ne osećaju kao deo korisnikovog telo.
„Problem sa tim dugoročnim pristupom je u tome što se korisnik nikada ne bi osećao otelotvorenim sa svojom protezom. Nikada ne bi posmatrao protezu kao deo svog tela, deo sebe“, kaže Her. „Pristup koji koristimo pokušava da sveobuhvatno poveže ljudski mozak sa elektromehanikom.“
