Ученые разработали бионическую ногу, управляемая нервной системой
Ученые разработали бионическую ногу, управляемую непосредственно нервными сигналами от культи пациента с ампутированной конечностью. Связь между остаточными мышцами, центральной нервной системой и протезом устанавливается через мозговой чип, что позволяет пациентам воспринимать положение протеза в пространстве.
Уже предлагаются бионические ноги, которые помогут ампутированным людям легче передвигаться. Эти устройства основаны на предопределенных архитектурах управления, то есть на заранее выбранных алгоритмах побуждения к ходьбе. Эти алгоритмы выполняются протезами и взаимодействуют с рядом датчиков.
Однако имеющиеся на сегодняшний день бионические ноги далеки от универсальности и быстроты реакции естественной ноги, поскольку они не управляются (по крайней мере, напрямую) нервной системой. Это препятствует плавности движений и ограничивает диапазон возможных движений.
Для преодоления этих ограничений были предложены прототипы нейропротезов ног, которые полностью контролируются нервной системой. Они могли бы предложить биомеханические возможности, сопоставимые с естественными конечностями. Однако их разработка столкнулась с серьезными трудностями, связанными в основном с нейромеханической сложностью ног.
Чтобы двигать собой и всем телом, ноги полагаются на сложное и идеально скоординированное взаимодействие между афферентными нервными сигналами (исходящими от сенсорных рецепторов в периферической нервной системе и идущими вверх к центральной нервной системе) и эфферентными нервными сигналами (идущими от центральной нервной системы к мышцам). Воспроизвести эту синергию с помощью бионической конечности крайне сложно, не говоря уже о том, что при ампутации удаляется большое количество дистальных тканей, что приводит к потере многих афферентных рецепторов.
Используя новый тип хирургического вмешательства, исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) впервые продемонстрировали, что естественная походка возможна при использовании протеза ноги, полностью контролируемого нервной системой. Процедура включает в себя пересоединение мышц культи пациента таким образом, чтобы получить полный нейронный контроль над протезом, что позволяет обеспечить проприоцептивную обратную связь (восприятие положения различных частей тела без необходимости использования зрения). Проект осуществлялся в сотрудничестве с Гарвардской медицинской школой и Женской больницей Бригама.
"Это первое в истории исследование протезов, в котором показано, как протез ноги подвергается полной нейронной модуляции, при которой возникает биомиметический подход", — рассказал MIT News Хью Херр, исследователь бионики из Массачусетского технологического института и один из авторов нового исследования, опубликованного в журнале . "Никто еще не смог продемонстрировать такой уровень контроля мозга, при котором возникает естественная походка, когда движением управляет нервная система человека, а не алгоритм управления роботом", — добавляет он.
Восстановление сенсорной обратной связи с ногами
Конечности в основном управляются парами мышц, прикрепленных к каждой кости, которые поочередно растягиваются/сокращаются в зависимости от выполняемого движения. При обычной ампутации костей ниже колена синергия между этими мышцами нарушается из-за потери тканей. В результате мозгу становится очень сложно воспринимать положение близлежащих мышц и скорость их сокращения. Эта сенсорная информация необходима мозгу для оценки того, как двигать конечностью.
Несмотря на протезы, эти нарушения означают, что пациенты не могут точно контролировать свои движения. Новый подход, получивший название "агонист-антагонист мионеврального интерфейса" (AMI), предполагает сначала соединение концов поврежденных мышц, чтобы они продолжали координированно взаимодействовать в культе. Процедура может быть проведена как в момент ампутации, так и после первичной ампутации в рамках ревизионной процедуры.
Предыдущие испытания, проведенные исследователями, показали, что пациенты, прошедшие эту процедуру, лучше контролируют мышцы ампутированной конечности. Кроме того, восстановленные мышцы издавали электрические сигналы, аналогичные сигналам неповрежденной конечности.
После получения таких обнадеживающих результатов на следующем этапе проекта необходимо было оценить, смогут ли электрические сигналы, испускаемые восстановленными мышцами, управлять протезом и обеспечивать проприоцепцию пользователя. Это позволило бы пользователю с помощью нейронной обратной связи добровольно корректировать свои движения и походку.
На 47 % увеличилась скорость ходьбы
Для испытаний ученые отобрали 7 пациентов, перенесших обычную ампутацию нижней части коленного сустава. Новый протез оснащен моторизованной лодыжкой и электродами, которые улавливают электрические сигналы от передней большеберцовой и гастрокнемической мышц (пары мышц, составляющих икроножную). Эти сигналы передаются на интерфейс управления, что позволяет протезу рассчитывать степень сгибания лодыжки, крутящий момент и механическую силу, которую необходимо приложить.
Участники проходили ряд испытаний: ходьба по ровной поверхности на протяжении 10 метров, подъем по склону, спуск по пандусу, подъем и спуск по лестнице, а также ходьба по ровной поверхности с обходом препятствий.
Исследователи обнаружили, что пациенты, оснащенные протезом AMI, ходили на 47 % быстрее, чем те, кто носил обычные протезы. Эта скорость была сопоставима со скоростью неампутантов. Кроме того, участники демонстрировали более плавные и естественные движения, легче обходили препятствия и могли оказывать на землю усилие, сравнимое с усилием неампутантов.
Более того, эти естественные движения были продемонстрированы даже несмотря на то, что сенсорная обратная связь, обеспечиваемая протезом, составляла менее 20%. Улучшение этой обратной связи позволит повысить управляемость нейронов. "Эта работа представляет собой новый этап в демонстрации того, что возможно в плане восстановления функций у пациентов, страдающих от тяжелых травм конечностей", — заключает Мэтью Карти, хирург из больницы Бригама и Женщин, а также соавтор исследования.
Видеодемонстрация новой бионической ноги: