Protéza poháňaná nervovým systémom umožní prirodzenejšiu chôdzu

Súčasné protetické nohy neposkytujú spätnú väzbu nervovej sústave ako neporušená končatina, namiesto toho sa spoliehajú na robotické senzory a ovládače, ktoré sa pohybujú podľa vopred definovaného algoritmu chôdze. No nový výskum na Massachusettskej technickej univerzite (MIT) nás privádza o krok bližšie k druhu protetickej kontroly, ktorú sme doteraz videli len vo filmoch.

„Toto je prvá protetická štúdia v histórii, ktorá ukazuje protézu nohy pod plnou nervovou moduláciou, kde sa objavuje biomimetická chôdza,“ povedal Hugh Herr, zodpovedajúci autor štúdie.

Chôdza je komplexný proces neuromechaniky, interakcia medzi nervami a svalmi. Na nervovej stránke veci nesú aferentné neuróny senzorické informácie z kože (alebo iných orgánov) po mieche do mozgu, kde sa asociačné neuróny rozhodujú, ako reagovať. Potom eferentné neuróny posielajú informácie z mozgu dolu miechou a von smerom k svalom, čím im hovoria, aký pohyb majú vykonať.

Potom je tu propriocepcia, čo je schopnosť tela vnímať pohyb, činnosť a umiestnenie, uvedomenie si tela v priestore. V intaktných končatinách je propriocepcia uľahčená biologickými senzormi vo svalových pároch, ktoré pôsobia proti sebe, pričom sa striedajú v kontrakcii (agonista) a naťahovaní (antagonista). Pri konvenčných amputáciách pod kolenom sú tieto svaly prerušené, čo narúša propriocepciu a sťažuje ľuďom kontrolu ich protetickej končatiny, pretože nedokážu presne vycítiť, kde sa končatina v priestore nachádza.

Pred niekoľkými rokmi Herr a jeho kolegovia začali vyvíjať nový chirurgický postup nazývaný ako agonisticko-antagonistické myoneurálne rozhranie (AMI) na replikáciu propriocepcie v amputovanej končatine a obnovenie normálnej chôdze u amputovaných. Namiesto toho, aby prerušili prirodzené párovanie agonistických a antagonistických svalov, chirurgovia spájajú ich konce, aby mohli navzájom komunikovať.

„Pomocou postupu amputácie AMI sa v maximálnej možnej miere snažíme spojiť natívnych agonistov s natívnymi antagonistami fyziologickým spôsobom tak, aby po amputácii mohol človek pohybovať plnou fantómovou končatinou s fyziologickými úrovňami propriocepcie a rozsahu pohybu,“ povedal Herr.

Štúdia z roku 2021 preukázala, že u ľudí s amputáciou pod kolenom nová chirurgická technika poskytla presnejšiu kontrolu nad amputovanou končatinou a zvyšné svaly produkovali elektrické signály veľmi podobné tým, ktoré vznikajú v neporušenej končatine. Neočakávane, pacienti s AMI tiež hlásili oveľa menšiu bolesť a väčší pocit slobody pohybu v ich amputovaných končatinách. Táto štúdia skúmala, či tieto elektrické signály môžu generovať príkazy pre protetickú končatinu a generovať proprioceptívnu spätnú väzbu, ktorá by používateľovi umožnila zvoliť si úpravu chôdze podľa potreby.

Sedem ľudí, ktorí podstúpili operáciu AMI, sa porovnávalo so siedmimi, ktorí mali tradičnú amputáciu pod kolenom. Všetci dostali rovnakú bionickú končatinu, protézu s napájaným členkom a elektródami namontovanými na koži, ktoré snímajú elektromyografické (EMG) signály z predného tibialisového svalu, ktorý prebieha pozdĺž vonkajšej strany dolnej časti nohy, a z lýtkového svalu (gastrocnemius). U pacientov s AMI boli tieto dva svaly chirurgicky spojené. Signály EMG boli privádzané do robotického ovládača, ktorý pomáhal protéze vypočítať, ako veľmi má ohnúť členok, koľko krútiaceho momentu použiť alebo koľko energie dodať.

Účastníci štúdie boli testovaní v rôznych scenároch chôdze: cez 10-metrovú rovnú cestu, po svahu, po rampe, hore a dole po schodoch a na rovnom povrchu, pričom sa vyhýbali prekážkam. Tí s neuroprotetickým rozhraním AMI dopadli lepšie, chodili približne rovnakou rýchlosťou ako niekto bez amputácie a ľahšie prechádzali prekážkami. Ich pohyby boli prirodzenejšie a mohli lepšie koordinovať pohyby protetických a neporušených končatín. Mohli by sa tiež odraziť od zeme rovnakou silou ako niekto bez amputácie.

„Vďaka neuroprotetickému rozhraniu AMI sme dokázali posilniť túto nervovú signalizáciu a zachovať z nej čo najviac,“ povedal Hyungeun Song, hlavný autor štúdie. „Toto dokázalo obnoviť nervovú schopnosť človeka a priamo ovládať plnú chôdzu pri rôznych rýchlostiach chôdze, po schodoch, svahoch, dokonca aj pri prechádzaní cez prekážky.“

Tieto výsledky boli pozorované, aj keď senzorická spätná väzba poskytnutá AMI bola menej ako 20% toho, čo by dosiahli ľudia bez amputácie.

„Jedným z hlavných zistení je, že malé zvýšenie neurálnej spätnej väzby z vašej amputovanej končatiny môže obnoviť významnú bionickú nervovú ovládateľnosť do bodu, v ktorom ľuďom umožníte priamo neurálne kontrolovať rýchlosť chôdze, prispôsobiť sa rôznym terénom a vyhnúť sa prekážkam,“ povedal Song.

Je to krok smerom k cieľu výskumníkov, ktorým je lepšia integrácia človeka a jeho protézy, a nie len zameranie sa na vytváranie čoraz technologicky vyspelejších bionických končatín.

„Problém tohto dlhodobého prístupu je v tom, že používateľ by sa nikdy necítil stelesnený svojou protézou,“ povedal Herr. „Nikdy by nepovažovali protézu za súčasť svojho tela, časť seba. Prístupom, ktorý zastávame, sa snažíme komplexne prepojiť ľudský mozog s elektromechanikou.“

Celosvetovo doteraz podstúpilo operáciu AMI asi 60 pacientov. Nová chirurgická technika sa podľa vedcov môže použiť aj u ľudí s amputáciou ruky. Štúdia pritom bola nedávno publikovaná v magazíne Nature Medicine.