پروتزی که توسط سیستم عصبی هدایت می شود به افراد مبتلا به قطع عضو کمک می کند تا به طور طبیعی راه بروند

اندام های مصنوعی پیشرفته می توانند به افراد مبتلا به قطع عضو کمک کنند تا راه رفتن طبیعی را به دست آورند، اما کنترل عصبی کاملی بر اندام به کاربر نمی دهند. در عوض، آنها به حسگرها و کنترلرهای روباتیکی تکیه می کنند که با استفاده از الگوریتم های راه رفتن از پیش تعریف شده اندام را حرکت می دهند.

با استفاده از نوع جدیدی از مداخله جراحی و رابط عصبی پروتز، محققان MIT با همکاری همکاران بیمارستان بریگهام و زنان نشان داده‌اند که راه رفتن طبیعی با استفاده از یک پای مصنوعی که کاملاً توسط سیستم عصبی بدن هدایت می‌شود، قابل دستیابی است. عمل جراحی قطع عضو، ماهیچه‌های اندام باقی‌مانده را دوباره به هم متصل می‌کند، که به بیماران اجازه می‌دهد تا بازخورد “مقدار عمقی” در مورد جایی که اندام مصنوعی آنها در فضا است دریافت کنند.

در مطالعه ای بر روی هفت بیمار که این جراحی را انجام داده بودند، تیم MIT دریافتند که آنها می توانند سریعتر راه بروند، از موانع اجتناب کنند و از پله ها به طور طبیعی تر از افراد دارای قطع عضو سنتی بالا بروند.

بیماران همچنین درد کمتر و آتروفی عضلانی کمتری را به دنبال این جراحی تجربه کردند که به عنوان رابط میونورال آگونیست-آنتاگونیست (AMI) شناخته می شود. تاکنون حدود 60 بیمار در سراسر جهان این نوع جراحی را دریافت کرده اند که برای افراد قطع دست نیز قابل انجام است.

Hyungeun Song، فوق دکترای آزمایشگاه رسانه MIT، نویسنده اصلی مقاله است که در Nature Medicine منتشر خواهد شد.

بازخورد حسی

اکثر حرکات اندام توسط جفت ماهیچه کنترل می شود که به نوبت کشش و انقباض دارند. در طول یک قطع عضو سنتی زیر زانو، فعل و انفعالات این عضلات جفت شده مختل می شود. این امر باعث می شود که سیستم عصبی تشخیص موقعیت عضله و سرعت انقباض آن را بسیار دشوار کند — اطلاعات حسی که برای مغز در تصمیم گیری برای حرکت دادن اندام حیاتی است.

افراد مبتلا به این نوع قطع عضو ممکن است در کنترل اندام مصنوعی خود مشکل داشته باشند زیرا نمی توانند به طور دقیق تشخیص دهند که اندام در کجا قرار دارد. در عوض، آنها به کنترل‌کننده‌های روباتیکی که در اندام مصنوعی تعبیه شده است، متکی هستند. این اندام ها همچنین شامل حسگرهایی هستند که می توانند شیب ها و موانع را تشخیص داده و با آنها تنظیم کنند.

هر و همکارانش برای کمک به مردم برای رسیدن به یک راه رفتن طبیعی تحت کنترل کامل سیستم عصبی، چندین سال پیش شروع به توسعه جراحی AMI کردند. به جای قطع برهمکنش‌های عضلانی آگونیست-آنتاگونیست طبیعی، آن‌ها دو انتهای ماهیچه‌ها را به هم متصل می‌کنند تا همچنان در اندام باقی‌مانده به صورت پویا با یکدیگر ارتباط برقرار کنند. این جراحی را می توان در طول یک قطع عضو اولیه انجام داد، یا می توان بعد از قطع عضو اولیه به عنوان بخشی از یک روش تجدید نظر، عضلات را دوباره به هم وصل کرد.

“با روش آمپوتاسیون AMI، تا حد ممکن، ما سعی می کنیم آگونیست های بومی را به روش فیزیولوژیکی به آنتاگونیست های بومی متصل کنیم تا پس از قطع عضو، فرد بتواند اندام فانتوم کامل خود را با سطوح فیزیولوژیکی حس عمقی و دامنه حرکت حرکت دهد.” آقا می گوید.

در یک مطالعه در سال 2021، آزمایشگاه Herr دریافت که بیمارانی که این جراحی را انجام داده‌اند می‌توانند با دقت بیشتری ماهیچه‌های اندام قطع شده خود را کنترل کنند و این ماهیچه‌ها سیگنال‌های الکتریکی مشابه سیگنال‌هایی را از اندام دست نخورده خود تولید می‌کنند.

پس از این نتایج دلگرم‌کننده، محققان به بررسی این موضوع پرداختند که آیا آن سیگنال‌های الکتریکی می‌توانند دستوراتی را برای یک اندام مصنوعی ایجاد کنند و در عین حال بازخوردی را در مورد موقعیت اندام در فضا به کاربر ارائه دهند. فردی که از اندام مصنوعی استفاده می کند می تواند از بازخورد حس عمقی برای تنظیم ارادی راه رفتن خود در صورت نیاز استفاده کند.

در مطالعه جدید Nature Medicine، تیم MIT دریافت که این بازخورد حسی واقعاً به یک توانایی صاف و تقریباً طبیعی برای راه رفتن و عبور از موانع تبدیل شده است.

“به دلیل رابط عصبی پروتز AMI، ما توانستیم سیگنال‌های عصبی را تقویت کنیم، تا جایی که می‌توانیم حفظ کنیم. این می‌تواند توانایی عصبی فرد را برای کنترل مداوم و مستقیم راه رفتن کامل، در سرعت‌های مختلف راه رفتن، پله‌ها، شیب‌ها بازیابی کند. سونگ می‌گوید، حتی از موانع عبور می‌کند.

یک راه رفتن طبیعی

برای این مطالعه، محققان هفت نفر را که تحت عمل جراحی AMI قرار گرفته بودند، با هفت نفری که قطع عضو سنتی زیر زانو داشتند، مقایسه کردند. همه آزمودنی‌ها از یک نوع اندام بیونیک استفاده کردند: یک پروتز با مچ پا نیرومند و همچنین الکترودهایی که می‌توانند سیگنال‌های الکترومیوگرافی (EMG) را از تیبیالیس قدامی عضلات گاستروکنمیوس حس کنند. این سیگنال‌ها به یک کنترل‌کننده روباتیک وارد می‌شوند که به پروتز کمک می‌کند تا میزان خم کردن مچ پا، میزان گشتاور یا مقدار نیرو را محاسبه کند.

محققان این افراد را در چندین موقعیت مختلف آزمایش کردند: راه رفتن در سطح زمین در مسیری 10 متری، راه رفتن از یک شیب، پایین رفتن از یک سطح شیب دار، بالا و پایین رفتن از پله ها، و راه رفتن روی سطحی هموار و در عین حال اجتناب از موانع.

در تمام این وظایف، افرادی که دارای رابط عصبی پروتز AMI بودند، می‌توانستند سریع‌تر راه بروند – تقریباً با سرعتی برابر با افراد بدون قطع عضو – و راحت‌تر در اطراف موانع حرکت کنند. آنها همچنین حرکات طبیعی تری مانند نشان دادن انگشتان پروتز به سمت بالا در هنگام بالا رفتن از پله ها یا گام برداشتن از روی مانع را نشان دادند و بهتر می توانستند حرکات اندام مصنوعی و اندام سالم خود را هماهنگ کنند. آنها همچنین می‌توانستند با همان قدرتی که فرد بدون قطع عضو داشت، از زمین خارج شود.

هر می‌گوید: «با گروه AMI، شاهد ظهور رفتارهای بیومیمتیک طبیعی بودیم. گروهی که AMI نداشتند، می‌توانستند راه بروند، اما حرکات مصنوعی طبیعی نبودند و حرکات آنها عموماً کندتر بود.»

این رفتارهای طبیعی حتی با وجود اینکه میزان بازخورد حسی ارائه شده توسط AMI کمتر از 20 درصد آن چیزی بود که معمولاً در افراد بدون قطع عضو دریافت می‌شد، ظاهر شدند.

یکی از یافته‌های اصلی در اینجا این است که افزایش اندک در بازخورد عصبی از اندام قطع شده شما می‌تواند قابلیت کنترل عصبی بیونیک قابل توجهی را بازگرداند، تا جایی که به افراد اجازه دهید مستقیماً سرعت راه رفتن را کنترل کنند، با زمین‌های مختلف سازگار شوند و از موانع اجتناب کنند. ” آهنگ می گوید.

متیو می‌گوید: “این کار نشان‌دهنده گام دیگری است که نشان می‌دهیم از نظر بازیابی عملکرد در بیمارانی که از آسیب شدید اندام رنج می‌برند، چه چیزی ممکن است. از طریق تلاش‌های مشترک مانند این است که می‌توانیم پیشرفت تحول‌آفرینی در مراقبت از بیمار داشته باشیم.” کارتی، جراح در بیمارستان زنان و بریگهام و دانشیار دانشکده پزشکی هاروارد، که نویسنده مقاله نیز هست.

فعال کردن کنترل عصبی توسط فردی که از اندام استفاده می‌کند، گامی به سوی هدف آزمایشگاه Herr در “بازسازی بدن انسان” است، به جای اینکه مردم به کنترل‌کننده‌ها و حسگرهای روباتیک پیچیده‌تر تکیه کنند – ابزارهایی که قدرتمند هستند اما احساس نمی‌کنند بخشی از بدن انسان هستند. بدن کاربر

هر می گوید: “مشکل در این رویکرد طولانی مدت این است که کاربر هرگز با پروتز خود احساس تجسم نمی کند. آنها هرگز پروتز را بخشی از بدن خود نمی بینند.” رویکردی که ما در پیش گرفته‌ایم تلاش می‌کند تا مغز انسان را به طور جامع به الکترومکانیک متصل کند.»

این تحقیق توسط مرکز بیونیک MIT K. Lisa Yang، موسسه ملی اختلالات عصبی و سکته مغزی، یک بنیاد آموزشی تحقیقات جراحی مغز و اعصاب کمک هزینه تحقیقات پزشکی، و موسسه ملی بهداشت کودک و توسعه انسانی یونیس کندی شرایور تامین شد.