Кибер нога, управляемая нервной системой

Ученые разработали бионическую ногу, которая управляется нервными сигналами от мышц культи пациента с ампутированной конечностью.

Связь между остаточными мышцами и протезом устанавливается через мозговой чип для восприятия пациентами положения протеза в пространстве. Существуют бионические ноги, предназначенные для облегчения передвижения ампутированных. Они базируются на архитектурах управления, включающих заранее выбранные алгоритмы для стимулирования ходьбы, которые исполняют протезы и взаимодействуют с датчиками.

Существующие на данный момент бионические ноги далеки от универсальности и скорости реакции естественной ноги, так как они не управляются (по крайней мере, напрямую) нервной системой. Это мешает плавности движений и ограничивает диапазон возможных движений. Для преодоления этих ограничений были предложены прототипы нейропротезов ног, которые полностью управляются нервной системой. Они могли бы предоставить биомеханические возможности, сравнимые с естественными конечностями.

Однако разработка столкнулась с серьезными трудностями, в основном связанными с нейромеханической сложностью ног. Для управления движением тела и ногами необходимо сложное и точно согласованное взаимодействие между афферентными нервными сигналами (приходящими от сенсорных рецепторов в периферической нервной системе и направляющимися к центральной нервной системе) и эфферентными нервными сигналами (идущими от центральной нервной системы к мышцам).
Воссоздать это взаимодействие с использованием бионического протеза для конечности чрезвычайно сложно, особенно учитывая, что при ампутации удаляется значительное количество дистальных тканей, что ведет к потере многих сенсорных рецепторов. Новый вид хирургического вмешательства, представленный исследователями из Массачусетского технологического института (MIT), показал, что естественное ходьба становится возможной при использовании протеза для ног, который полностью управляется нервной системой. Этот процесс включает в себя переподключение мышц и сухожилий пациента таким образом, что достигается полный нейроконтроль над протезом, обеспечивая проприоцептивную обратную связь (способность оценить положение частей тела без зрительной информации).

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 Nature Medicine. «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 контролируются парами мышц, привязанных к каждой кости, которые поочередно растягиваются или 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 сперва 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 и соавтор исследования.

Видеодемонстрация новой бионической ноги:

Источник: New-Science.ru https://new-science.ru/uchenye-razrabotali-bionicheskuju-nogu-upravlyaemaya-nervnoj-sistemoj/