Безперервний нейронний контроль біонічної кінцівки відновлює біоміметичну ходу після ампутації

Вступ

Протягом століть науковці та технологи прагнули створити штучні протези ніг, які б повністю повторювали універсальність їхніх біологічних аналогів. Однак для біологічної ходьби необхідне скоординоване довільне та рефлекторне моторне управління завдяки складній взаємодії афферентних і ефферентних нейронних шляхів, що ускладнює нейропротезування після ампутації кінцівки. У цьому дослідженні ми висуваємо гіпотезу, що безперервний нейронний контроль біонічної кінцівки може відновити біоміметичну ходу після ампутації нижче коліна, якщо залишкові м’язові афференти будуть посилені. Для перевірки цієї гіпотези ми представляємо нейропротезний інтерфейс, що складається з хірургічно з'єднаних м'язів-агоністів і антагоністів з електродами для сенсорного контролю м'язів. У групі з семи пацієнтів з ампутацією ноги показано, що інтерфейс посилює залишкові м’язові афференти на 18% від біологічно інтактних значень. У порівнянні з контрольною групою з ампутацією без такого посилення, максимальна швидкість ходьби з нейропротезом зростає на 41%, досягаючи рівня пікових швидкостей у людей без ампутації ноги. Крім того, такий рівень посилення афферентів дозволяє біоміметичну адаптацію до різних швидкостей ходьби та реальних умов, включаючи нахили, сходи та перешкоди на шлху. Наші результати свідчать, що навіть незначне посилення залишкових м’язових афферентів відновлює біоміметичну ходу за умов безперервної нейромодуляції в осіб з ампутацією ноги.

Встигніть до 01.08 придбати та ознайомились із записом «International Trauma Ortho Forum: Сучасні виклики ортопедичної інфекції та шляхи її подолання»!

Основна частина

Наукова фантастика зображує біонічні ноги, що керуються нервовою системою, з тією ж універсальністю та швидкістю реакції, що і в інтактних біологічних кінцівках. На жаль, поточний стан технологій набагато менш винятковий. Сучасні біонічні ноги покладаються на заздалегідь визначені роботизовані схеми керування для створення біоміметичної локомоції. Сьогоднішні біонічні ноги зазвичай використовують методи кінцевого автомата та розпізнавання патернів, які моделюють циклічні рухи ніг у дискретні стани на основі фази ходи та типу місцевості. Виявляючи поточний стан за допомогою роботизованих датчиків, контролер відтворює заздалегідь визначені алгоритми ходьби без постійної нейромодуляції з боку користувача. Нейропротезні ноги, повністю керовані нервовою системою людини, без залежності від внутрішнього контролера ходьби, можуть відкрити біонічні можливості, що наближаються до інтактних кінцівок. Досягнення такої функціональності вимагало б високошвидкісної нейромодуляції для задоволення вимог до ходи, включаючи адаптивне позиціонування стопи, амортизацію та поштовх на різних місцевостях. На жаль, залишковий моторний контроль в осіб з ампутацією кінцівок у стандартних умовах догляду ускладнюється непослідовністю і ненавмисною коактивацією. Навіть на рівній поверхні люди зі стандартною ампутацією ноги постають перед труднощами у виконанні біоміметичної ходи під безперервним нервовим контролем. Внаслідок цього сучасні біонічні ноги використовують нервові імпульси лише як допоміжні сигнали управління у межах звичайних внутрішніх контролерів ходьби, зазвичай обмежуючись певною фазою ходи та односпрямованим рухом. Такі підходи забезпечують користувачам лише частковий нервовий контроль над виявленням ходи, розпізнаванням патернів, підсиленням внутрішнього рефлекторного контролера або рухами суглобів. Обмеження поточних систем не є несподіваними, враховуючи складність нейромеханіки ходьби. Хода людини включає скоординовану взаємодію між аферентними та еферентними сигналами, спрямованими до і від довільної супраспінальної та рефлекторної спінальної нервової системи. Щоб ускладнити завдання, значна кількість дистальної тканини видаляється під час стандартної ампутаційної процедури, що призводить до втрати важливих периферичних аферентів, які відповідають за локомоцію. Для компенсації відсутності периферичних аферентів було запропоновано технологію електричної стимуляції нервів, яку переважно досліджували в нейропротезах верхніх кінцівок. Нещодавні дослідження продемонстрували ефективність прямої стимуляції нервів у викликанні біоміметичних аферентних відповідей, що призводить до покращення функції нейропротезів верхніх кінцівок. Однак локомоція значною мірою залежить від рефлекторної спинальної нервової системи, на відміну від рухів верхніх кінцівок, і може вимагати більшої кількості біоміметичних аферентів через обмежену пластичність у порівнянні з супраспінальною нервовою системою. Крім того, величина аферентів, необхідних для забезпечення високошвидкісного моторного контролю для нейромодуляції біонічної ходи, залишається невідомою. У попередніх клінічних дослідженнях пасивні та внутрішньо контрольовані біонічні ноги, спроєктовані для надання аферентного зворотного зв'язку за допомогою електричної стимуляції нервів, показали покращення функції ходьби. Однак такі системи ще не продемонстрували біоміметичну ходу, повністю керовану нервовою системою людини. Особи з біологічно інтактними ногами, завдяки природним периферичним аферентам, здатні компенсувати порушення ходьби за секунди. Така адаптивність свідчить про те, що посилення залишкової аферентної сигналізації може дозволити особам з ампутацією ноги налаштувати свою нервову систему для досягнення біоміметичної нейропротезної ходи. Відомо, що м'язові аферентні сигнали є одним з основних зворотних механізмів для функціональної локомоції. У цьому дослідженні ми тому висуваємо гіпотезу, що посилення м'язових аферентів у ампутованій кінцівці дозволить покращити біоміметичну адаптацію ходи у нейропротезній нозі з безперервною нейромодуляцією ходи.

У цій роботі ми прагнули збільшити залишкові м’язові аференти за допомогою модифікованої ампутації, використовуючи міонейронний інтерфейс агоніст–антагоніст (AMI). Процедура AMI хірургічно з'єднує залишкові м'язи-агоністи та антагоністи для відтворення динаміки м'язів-антагоністів у ампутованій кінцівці. Відновлюючи природну динаміку м'язів, AMI прагне використовувати природні сенсорні органи у залишкових м'язах та сухожиллях для генерації біологічних аферентів, що відповідають рухам ампутованих суглобів у вільному просторі. Наші попередні дослідження показали, що ампутація нижче коліна за методом AMI покращує довільний контроль у вільному просторі в лабораторних умовах. Попередні результати свідчили про покращений нервовий контроль кінематики фази маху порівняно з тими, хто не мав нейропротезного інтерфейсу. Однак у цьому попередньому дослідженні вся опорна фаза ходи залишалася під внутрішнім контролем без зовнішніх нервових сигналів. Як наслідок, біонічна хода не була повністю керована нервовою системою людини. Крім того, попередні роботи ще не дослідили зв’язок між рівнем підсилення м'язових аферентів і ступенем відновлення біоміметичної нейромодуляції ходи. У цій роботі ми оцінюємо вплив збільшення залишкових м'язових аферентів на біоміметичну нейромодуляцію ходи у людей з ампутацією нижче коліна. Ми висуваємо гіпотезу, що навіть невелике збільшення залишкових м'язових аферентів полегшить нервовий контроль біоміметичної механіки ходи, адаптивності та реакції на перешкоди, без необхідності вдаватися до внутрішнього контролера ходи. 

Результати

Дизайн дослідження та учасники

Це дослідження було частиною триваючого клінічного випробування (NCT03913273), яке оцінює ефективність підвищення нейропротезного контролю за допомогою процедури AMI у людей з ампутацією на рівні гомілки. Ампутація за методом AMI передбачає хірургічне з'єднання залишкових пар м'язів-агоністів та антагоністів для імітації динаміки біологічних м'язів після ампутації. Відтворюючи динаміку біологічних м'язів, AMI прагне використовувати природні сенсорні органи, що є у залишкових м'язах та сухожиллях, для генерації біоміметичних аферентів, які відповідають рухам суглобів у вільному просторі. Для ампутації нижче коліна за методом AMI латеральний гастрокнеміус (GAS) механічно з'єднаний з переднім великогомілковим м'язом (ТА) для управління протезом гомілковостопного суглоба, а довгий малогомілковий м'яз з'єднаний з заднім великогомілковим м'язом для управління протезом підтаранного суглоба. Критерії включення до дослідження складалися з осіб з ампутацією гомілки віком від 18 до 65 років, які демонстрували вміння користуватися стандартними пасивними протезами та могли ходити зі змінною швидкістю. Усі учасники мали повністю загоєні місця ампутації та не відчували болю, який міг би вплинути на їхню ходу. Критерії виключення включали такі захворювання: кардіопульмонарна нестабільність, що проявляється як ішемічна хвороба серця, хронічне обструктивне захворювання легень та значне мікросудинне порушення, а також вагітність і/або активне куріння. Ми залучили сім осіб, які пройшли односторонню ампутацію нижче коліна за методом AMI відповідно до протоколу Інституційної оглядової ради (IRB) партнера (p2014001379). Додатково було залучено сім контрольних осіб (CTL), які отримали ампутації без застосування AMI. Перед участю у дослідженні усі учасники надали письмову інформовану згоду (протокол IRB 1812634918). Критерії відповідності між учасниками AMI та CTL включали вік, час з моменту ампутації, зріст і вагу. Відбір проводився для оцінки причинно-наслідкових ефектів шляхом мінімізації розбіжностей у змінних групах. Один з учасників AMI, AMI 2, раніше брав участь у нашому пілотному дослідженні та мав досвід роботи з нейропротезною системою, призначеною для оцінки нервового контролю кінематики фази маху. Однак перед участю у цьому дослідженні всі учасники, включаючи AMI 2, не мали досвіду роботи з біонічною системою, що вимагає безперервного нервового контролю протягом усього циклу ходи. У цій роботі ми висуваємо гіпотезу, що підвищений сигнал м'язових аферентів, полегшений нейропротезним інтерфейсом, сприятиме високобіоміметичній ході під безперервним нервовим контролем. Дослідження було розроблене для кількісної оцінки ступеня відновленої функціональності біонічної ходи, повністю керованої нервовою системою людини, при різних ступенях підсилення м'язових аферентів. Зокрема, ми спочатку провели дослідження нейромеханіки залишкових м'язів TA і GAS для оцінки специфічних для суб'єкта залишкових м'язових аферентів. Після цього ми виконали низку біонічних амбулаторних тестів, включаючи ходьбу по рівній поверхні на різних швидкостях, адаптації до нахилів та сходів, а також перетин перешкод для обох груп AMI та CTL з різним ступенем залишкових м'язових аферентів. Усі пацієнти пройшли дві тренувальні сесії з приблизно 6 годинами ходьби загалом. Перед збором даних усі учасники повідомили про свою впевненість у виконанні стабільної ходи. Жоден з учасників не зазнав побічних ефектів, таких як падіння, під час участі у дослідженні. 

Neurology Thursday повернулись! Перегляньте записи заходів, що завершились та не забудьте зареєструватись на ті, що ще будуть!

Нейропротез

Для оцінки нашої гіпотези ми інтегрували автономну біонічну кінцівку, що складається з протезованого гомілковостопного суглоба з приводом, блоку сенсорів електроміографії (ЕМГ) і гнучких поверхневих електродів. Ми розробили нейропротезний контролер для безперервної нейромодуляції крутного моменту гомілковостопного суглоба (дорсіфлексія (DF) та плантарна флексія (PF)) протягом усього циклу ходи, використовуючи ЕМГ сигнали, виміряні з м'язів TA і GAS. Єдина уніфікована модель фізіологічного гомілковостопного суглоба використовувалася для обчислення цільового значення крутного моменту для заданого набору сигналів ЕМГ і кінематики протезованого гомілковостопного суглоба. Важливо, що контролер використовував виміряний  стан суглоба протеза, тобто кутове положення та швидкість, для оцінки верхньої межі контролера крутного моменту суглоба ЕМГ з використанням емпіричних вимірювань з літератури максимальної сили м'язів, характеристики довжини-швидкості в кожному стані біологічного гомілковостопного суглоба. Крім того, виміряний стан суглоба протеза також використовувався для оцінки внеску крутного моменту від пасивних біологічних структур, таких як зв'язки та капсули суглобів. Крім того, важливо зазначити, що контролер не включав заздалегідь визначені алгоритми роботів, які залежать від знань про фазу ходи, швидкість ходьби та тип підстилки через використання, наприклад, алгоритмів розпізнавання шаблонів або підходів до машини станів. Параметри декодування нервових сигналів, специфічні для кожного суб'єкта, визначалися на основі профілів ЕМГ під час повних рухів гомілковостопного суглоба DF і PF фантомної кінцівки, тоді як кожен суб'єкт стояв на своєму біологічно інтактному кінцівці та носив нейропротезну систему. Калібрування протезної системи проводилося один раз на початку всього сеансу.

Підсилені м'язові аференти в залишкових кінцівках

Для оцінки м'язових аферентів у когорт AMI та CTL ми вивчили нейромеханічні властивості м'язів TA і GAS під час максимальної дорсіфлексії та плантарної флексії фантомного гомілковостопного суглоба. Ми оцінили м'язові аференти за допомогою обчислювальної моделі, базованої на деформаціях м'язових фасцій і ЕМГ сигналах, зареєстрованих за допомогою ультразвукової візуалізації та поверхневих електродів, відповідно. Для оцінки загального м'язового аферентного сигналу для контролю гомілковостопного суглоба ми обчислили м'язові аференти антагоніста–агоніста як різницю між аферентами антагоніста (розтягування) та агоніста (скорочення) для пари м'язів TA і GAS. Ми виявили, що AMI збільшує аференти м'язів антагоніста–агоніста (AMI: 10,5 ± 0,88 імпульсу за секунду (Imp s⁻¹), CTL: 0,09 ± 0,69 Imp s⁻¹; n = 7 на когорту, t-тест для незалежних вибірок, P = 7,7 × 10⁻⁷), що відповідає 18% значень біологічно інтактних значень (приблизно 60 Imp s⁻¹).

Природна ходьба з адаптацією швидкості

Спочатку ми протестували ходьбу по рівній поверхні на повільній швидкості для всіх 14 суб’єктів (0,98 ± 0,005 м с⁻¹). Крім того, ми попросили кожного суб'єкта продемонструвати стійку і стабільну ходьбу на самостійно обраній максимальній швидкості. Оскільки суб’єкти AMI зазвичай ходили швидше, ніж суб’єкти CTL, на самостійно обраних максимальних швидкостях (1,78 ± 0,04 і 1,26 ± 0,07 м с⁻¹ відповідно), суб’єкти AMI виконали додатковий тест ходьби зі середньою швидкістю, щоб відповідати максимальній швидкості суб’єктів CTL (максимальна швидкість суб’єктів CTL і середня швидкість суб’єктів AMI: 1,25 ± 0,04 м с⁻¹).

Ми виявили вищий ступінь біоміметичного руху у суб’єктів AMI порівняно з суб’єктами CTL під час багатошвидкісних випробувань ходьби по рівній поверхні. Суб’єкти AMI регулювали різні кути відштовхування та підйому стопи для імітації природної кінематики суглобів (n = 7 на когорту, t-тести для незалежних вибірок, P < 0,037) (рис. 2b). У біологічно інтактних кінцівках спінальний рефлекс, заснований на аферентах м'язів і сухожиль, збільшує пікову потужність та чисту роботу гомілковостопного суглоба зі збільшенням швидкості ходьби. Ми виявили збільшення пікової потужності та чистої роботи біонічного гомілковостопного суглоба при збільшенні швидкості ходьби у суб’єктів AMI (n = 7, парні t-тести з корекцією Холма–Шідака, P < 0,049 і 0,0042). На відміну від цього, ми не виявили значної зміни пікової потужності або чистої роботи у суб’єктів CTL зі збільшенням швидкості ходьби (n = 7, парні t-тести, P = 0,073 і 0,11).

Суб’єкти AMI продемонстрували максимальну швидкість ходьби, на 41% вищу порівняно з суб’єктами CTL (1,78 ± 0,04 і 1,26 ± 0,07 м с⁻¹; n = 7 на когорту, t-тест для незалежних вибірок, P = 5,4 × 10⁻⁵), що супроводжувалося підвищенням енергетичних показників ходи, що підтверджується збільшенням пікової потужності на 187% (1,95 ± 0,11 і 0,68 ± 0,17 Вт кг⁻¹; n = 7 на когорту, t-тест для незалежних вибірок, P = 3,1 × 10⁻⁵) і збільшенням чистої роботи на 0,223 Дж кг⁻¹ (0,174 ± 0,015 і -0,049 ± 0,054 Дж кг⁻¹; n = 7 на когорту, t-тест для незалежних вибірок, P = 0,0018). Підвищена механічна енергія ходи відновила 65% пікової потужності та чистої роботи протеза порівняно з біологічно інтактними значеннями (3,0 Вт кг⁻¹ і 0,267 Дж кг⁻¹). Такий рівень нейромодуляції енергії ходи дозволив суб’єктам AMI досягти швидкості ходьби (1,78 ± 0,04 м с⁻¹), що можна порівняти зі швидкістю, зареєстрованою при швидкій ходьбі у людей з біологічно інтактними кінцівками (1,81 ± 0,03 м с⁻¹; n = 10 інтактних і n = 7 AMI, тест U Манна–Вітні, P = 0,52), які мають вагу тіла, аналогічну нашій когорті AMI (69,1 ± 6,0 кг; n = 10 інтактних і n = 7 AMI, t-тест для незалежних вибірок, P = 0,24)  (рис. 2d).

Нейромодульовані біоміметичні механізми біонічної ходьби когорти AMI відновили природну кінематику решти суглобів нижніх кінцівок. Це призвело до того, що когорта AMI перевершила суб’єктів CTL за симетрією кінематики нижніх кінцівок (LEK)   на 19% до 26% при різних рівнях швидкості ходьби (n = 7 на когорту, t-тести для незалежних вибірок, P < 6,2 × 10⁻⁴) (рис. 2f). На додаток, симетрія LEK когорти AMI при максимальній швидкості ходьби (84,9 ± 1,3%) була відновлена на 93% порівняно з симетрією LEK, зареєстрованою у людей з біологічно інтактними ногами (91,4%).

Біоміметична адаптація до рельєфу  

Люди з біологічно інтактними кінцівками можуть виконувати універсальну ходу на різних рельєфах. Без зміни параметрів нейропротезного контролю ми попросили всіх 14 суб’єктів орієнтуватися на різних рельєфах, включаючи ухил 5° і сходи.

Когорта AMI виявила біоміметичні особливості адаптації до схилів і сходів завдяки біонічним механізмам гомілковостопного суглоба. Зокрема, суб’єкти AMI підтримували механіку ходьби по рівній поверхні під час адаптації до схилів , збільшуючи як пікову потужність, так і чисту роботу при підйомі порівняно зі спуском (n = 7, парні t-тести, P = 0,0037 і 0,0045). Суб’єкти AMI також модулювали поглинання удару під час початкового прийняття ваги під час спуску зі сходів і пропульсивний момент під час підйому на сходи. Такий рівень універсальності не був досягнутий у попередньо звітованих біонічних протезах навіть із використанням звичайних внутрішніх систем контролю. На відміну від цього, суб’єкти CTL не змогли виконати біоміметичні адаптації як на схилі (n = 7, парні t-тести, P = 0,37 і 0,34), так і на сходах. Крім того, суб’єкти CTL показали обмежений діапазон руху (ROM) біонічного гомілковостопного суглоба як при адаптації на схилі (n = 7 на когорту, тест U Манна–Вітні, підйом: P = 5,8 × 10⁻⁴), так і при адаптації на сходах (n = 7 на когорту, t-тести для незалежних вибірок, спуск: P = 0,034, підйом: P = 5,7 × 10⁻⁵), що ще більше демонструє обмежену здатність до локомоторної адаптації.

Суб’єкти AMI нейромодулювали вищу позитивну або негативну біонічну пікову потужність для адаптивної пропульсії та поглинання удару для кожного рельєфу, що варіюється від 163% до 202% (n = 7 на когорту, t-тести для незалежних вибірок, P < 0,0052) порівняно з суб’єктами CTL. Такий широкий діапазон модуляції потужності призвів до біоміметичних адаптивних енергетичних показників ходьби, що підтверджується збільшенням чистої роботи при пропульсії у когорти AMI, що варіюється від 0,133 до 0,232 Дж кг⁻¹, і зменшенням чистої роботи на 0,12 Дж кг⁻¹ для поглинання удару порівняно з суб’єктами CTL (n = 7 на когорту, t-тести для незалежних вибірок, P < 0,0041). Здатність нейромодулювати біоміметичну адаптивну механіку ходьби дозволила суб’єктам AMI швидше виконувати завдання адаптації до рельєфу, що варіюється від 32% до 43% (n = 7 на когорту, підйом схилу: тест U Манна–Вітні, інші: t-тести для незалежних вибірок, P < 0,018) порівняно з суб’єктами CTL.

Адаптивна біонічна механіка рельєфу в когорті AMI покращила кінематику решти суглобів нижніх кінцівок . В результаті суб’єкти AMI перевершили суб’єктів CTL за симетрією LEK (n = 7 на когорту, підйом: тест U Манна–Вітні, інші: t-тести для незалежних вибірок, P < 0,027), з покращеннями від 13% до 28%.

Біоміметична реакція на перешкоди

Для використання повністю нейромодульованого біонічного протеза в реальних умовах необхідно, щоб технологія постійно і безпечно реагувала на складні екологічні перешкоди. Здатність переступати через перешкоди під час ходьби є репрезентативною реакцією на перешкоди, що включає тісну взаємодію між супраспінальною передбачувальною адаптацією та спінальним рефлексивним контролем. Щоб перевірити реакцію біонічного протеза з нейроконтролем на екологічні перешкоди, ми провели випробування на подолання перешкод (рис. 4a) з підгрупою учасників (n = 10).

Переглядайте записи та слідкйте за оновленнями Ortho Trauma Friday

Біоміметична реакція на перешкоди

Люди з біологічно інтактними кінцівками змінюють кінематику гомілковостопного суглоба при підйомі стопи для подолання перешкод, збільшуючи дорсифлексію в порівнянні зі звичайною ходьбою. Аналогічно, усі суб’єкти AMI збільшували дорсифлексію в біонічній кінематиці стопи для подолання перешкод у порівнянні зі звичайною ходьбою (4,14 ± 0,66°) (Рис. 4a,b). На відміну від цього, суб’єкти CTL продемонстрували непомітні зміни в біонічній кінематиці стопи під час подолання перешкод (−0,45 ± 0,87°; n = 6 CTL, n = 4 AMI, t-тест для незалежних вибірок, P = 0,0052). Примітно, що один із шести суб’єктів CTL показав значне зменшення (−4,22°) кута дорсифлексії стопи порівняно з їхньою звичайною ходьбою. Відсутність або порушення моторної відповіді спостерігається у людей з церебральним паралічем  і хворобою Паркінсона  і пояснюється порушенням супраспінальних і спінальних локомоторних шляхів, що включають периферичні афференти . Відомо також, що ці групи населення мають високі показники травматизму та смертності через падіння.

Під час кроку відновлення суб’єкти AMI генерували пропульсивну потужність (1,01 ± 0,09 Вт кг⁻¹) і чисту роботу (0,125 ± 0,022 Дж кг⁻¹) (Рис. 4c), що відповідало 124% і 0,141 Дж кг⁻¹ збільшенню порівняно з суб’єктами CTL (0,45 ± 0,20 Вт кг⁻¹ і −0,016 ± 0,018 Дж кг⁻¹; n = 6 CTL, n = 4 AMI, тест U Манна-Вітні та t-тести для незалежних вибірок, P = 0,038 і 0,0011) (Рис. 4c). Така пропульсія дозволила когорті AMI долати перешкоди зі швидкістю ходьби 0,94 ± 0,05 м с⁻¹, що на 54% швидше порівняно з показником когорти CTL (0,61 ± 0,06 м с⁻¹; n = 6 CTL, n = 4 AMI, t-тест для незалежних вибірок, P = 0,0049).

Збільшені аференти відновлюють біоміметичний контроль ходьби

Щоб зрозуміти, як більш високий ступінь біоміметичної ходьби виникає завдяки збільшенню м'язових аферентів, ми порівняли траєкторії біонічного моменту-кута для ходьби з максимальною швидкістю при чотирьох різних рівнях м'язових аферентів. Залишкові агононістично-антагоністичні м'язові аференти суб’єктів були класифіковані за величиною як «небіоміметичні» (−1,29 ± 0,26 Імп с⁻¹; n = 4 CTL), «низький рівень» (1,94 ± 0,51 Імп с⁻¹; n = 3 CTL), «помірний рівень» (8,58 ± 0,70 Імп с⁻¹; n = 3 AMI) і «високий рівень» (11,94 ± 0,90 Імп с⁻¹; n = 4 AMI).

Для "небіоміметичних" аферентів траєкторія моменту-кута не була біоміметричною, рухаючись за годинниковою стрілкою і розсіюючи механічну енергію з циклу ходьби. Натомість, при збільшенні рівнів м'язових аферентів від "небіоміметричних" до "високого рівня", траєкторії моменту-кута показали виникнення природних механік ходьби, рухаючись проти годинникової стрілки та вводячи чисту позитивну роботу в цикл ходьби. Рівень аферентного збільшення також міцно корелював (r) з піковою потужністю біонічної стопи (r = 0,88, n = 14, P = 3,2 × 10^(-5)), чистою роботою (r = 0,78, n = 14, P = 0,0011), симетрією LEK (r = 0,83, n = 14, P = 1,3 × 10^(-4)), максимальною швидкістю ходьби (r = 0,85, n = 14, P = 2,3 × 10^(-4)) і аферентами агононістичних-антагоністів м'язів. Біоміметричні адаптації на схилі та сходах також поступово з'являлися при збільшенні м'язових аферентів (|r| = 0,56–0,87, n = 14, P < 0,035). Ці результати демонструють, що підвищення м'язових аферентів покращує загальну функціональність нейромодульованих біонічних кінцівок (r = 0,92, n = 14, P = 3,6 × 10^(-6)). Так само, при збільшенні величини залишкових м'язових аферентів суб'єкти могли відмінно модифікувати кінематику коливання для подолання перешкод, генерувати пропульсивну кінетику кроку для наступного відновного кроку та, внаслідок цього, швидше ходити під впливом відхилення (r = 0,64–0,81, n = 10, P < 0,046). Цей результат показує, що збільшення м'язових аферентів дозволяє біоміметричну і швидку біонічну відповідь на вплив (r = 0,90, n = 10, P = 4,4 × 10^(-4)).

Враховуючи величину збільшених залишкових м'язових аферентів (10,50 ± 0,88 імп/с, n = 7 AMI) порівняно з цінностями інтактних (приблизно 60 імп/с), наші результати підтверджують, що навіть помірне збільшення в залишкових м'язових аферентах відновлює здатність ампутанта до нейромодуляції біоміметричної і універсальної локомоції та реагування на реальні середовищні впливи.

Обговорення

У цьому дослідженні ми показали, що залишкові аференти м'язів-сухожилля дозволяють особі з транстібіальною ампутацією безпосередньо нейромодулювати біоміметричну локомоцію, забезпечуючи нейропростетичні адаптації до різних швидкостей ходьби, теренів і впливів. Така універсальна і біоміметрична ходьба не була досяжною в сучасних біонічних ногах без використання заздалегідь визначених внутрішніх контрольних структур. Основою для покращення нейральної керованості, продемонстрованої у цьому дослідженні, є органи відчуття м'язів-сухожилля, які постачають аференти відчуття власного положення. Хірургічно відновлені м'язові агононістичні та антагоністичні м'язи імітують природне агононістичне скорочення та антагоністичне розтягнення, що генерують аференти відчуття від відновлених рухів м'язів.

Під час контакту з підлогою під час ходьби відновлені динаміки м'язів-сухожиль в AMI не точно імітують біологічну динаміку м'язів. Залишкові м'язи AMI вільно скорочуються і розтягуються всередині ампутованого залишку, тільки тягнучи один одного, а не взаємодіючи з зовнішнім середовищем. На відміну від цього, для інтактних біологічних кінцівок м'язи-сухожилля охоплюють гомілковостопний суглоб, використовуючи великі сили через взаємодію з зовнішнім середовищем. Вважається, що така взаємодіюча динаміка м'язів-сухожиль в інтактних біологічних кінцівках відіграє критичну роль у спинномозкових рефлексах, крім того, що надає зворотний зв'язок для добровільного моторного керування.

Отже, для цього дослідження демонструється здатність підвищених аферентів до того, щоб дозволити нейромодулювання біоміметричної ходьби, дивлячись, що їх загальна величина значно зменшена порівняно з тими для інтактних біологічних кінцівок. Ми тому вважаємо, що у людей є велика адаптивна здатність сенсомоторного характеру, де навіть невелике посилення сигналізації залишкових м'язових аферентів ефективно може уточнити як добровільну супраспінальну, так і рефлексивну спинномозкову нейронну мережу для забезпечення нейромодуляції біоміметричної ходьби. Знайдені у цьому дослідженні зв'язки між відновленим відновленням м'язових-сухожильних структур і спостереженою нейромодульованою біонічною функціональністю надають принципи проєктування для майбутніх нейропростетичних інтерфейсів. Розглядаючи процедури відновлення кінцівок як задачу оптимізації дизайну нейропростеза, наші результати дозволяють більш ефективні підходи до покращення функціональності біонічних кінцівок після ампутації.

Сучасні біонічні ноги використовують внутрішні системи керування для керування біоміметричною ходьбою. Такі внутрішні контролери оцінюють фази ходьби, швидкості та умови навколишнього середовища, а потім моделюють різноманітні рухи ніг у скінченну кількість станів. Звичайно, точна оцінка такої інформації ходьби становить технічні виклики, а в моделюванні моторного наміру людини в скінченну кількість станів неодмінно призводить до обмеження власної універсальності кінцівкової локомоції. Повна нейронна схема контролю, представлена в цьому дослідженні, натомість покладається на людську нервову систему для безпосередньої нейромодуляції біонічної ноги для адаптації в різні фази ходьби, швидкості, середовища і впливів. Наші зусилля спрямовані на підвищення залишкового контролю над моторикою і сенсомоторними адаптаціями до біонічної ноги, розглядаючи зовнішню біонічну ногу як всього фізичний емулятор втраченої кінцівки без влади внутрішнього контролю.

Використання пасивних протезів гомілковостопного суглоба в людей з транстібіальною ампутацією викликає не біоміметричні механіку ходьби, що призводить до менш стабільної ходи з вторинними ускладненнями, такими як збільшене енергоспоживання, остеоартрит, остеопороз та біль у нижній частині спини. Порівняно з пасивними пристроями, внутрішньо-керовані потужні протези покращують механіку ходьби та полегшують ці ускладнення. Крім того, визнається, що еферентне керування протезом і відгуки на відчуття вносять внесок до покращення відчуття власності від протеза. Тому ми очікуємо аналогічні клінічні переваги та покращене відчуття власності, що виникають від нейропротеза, що повністю керується людською нервовою системою з підвищенням залишкових м'язових аферентів. Майбутні дослідження повинні зосередитися на демонстрації клінічних переваг тривалого використання нейропротезів з підвищенням аферентів порівняно з передбаченими пасивними та внутрішньо-керованими потужними протезами. Крім того, майбутні дослідження, які акцентуються на досвіді пацієнтів, таких як можливі поліпшення впевненості, когнітивного навантаження і відчуття власності, можуть забезпечити краще розуміння переваг, які пропонують нейропротези в області щоденного життя користувачів та психологічного самопочуття.

Однакова маса зовнішньої біонічної ноги, яка використовувалася у цьому дослідженні (2.75 кг), і втраченої кінцівки (приблизно 2.89 кг; стопа і половина гомілки: 3.7% від маси тіла) призвела до того, що учасники спочатку відзначали відчуття важкості біонічної ноги на ранніх етапах випробування ходи, ймовірно, через значну різницю ваги порівняно з раніше використовуваними пасивними протезами. Це враження могло бути пов'язане з тим, що прогресували випробування, учасники, які демонстрували вищий рівень біоміметичних ходових патернів, зауважили, що нейропротез уже не відчувається важким. Це може бути зумовлено тим, що біоміметичні динаміка щиколотки компенсували масу протеза, а також підвищенням ідентифікації протеза, сприянням збільшених аферентів. У цій роботі ми головним чином зосередилися на здатності м'язево-зв'язкових аферентів до біоміметичної модуляції ходи. Однак попередня література на тему пасивних та вбудованих систем керування протезами наводить, що додавання кутанного відгуку може подальше покращити біонічну функціональність. Крім того, хірургічні втручання, такі як остеоінтеграція, також можуть забезпечити корисні аференти (наприклад, остеоперцепція), крім поліпшення електромеханічної зв'язності між резідуумом та зовнішнім біонічним кінцем. У цьому дослідженні ми дослідили здатність осіб з ампутацією кінцівок AMI до модуляції біоміметичної ходи на широкому спектрі біонічних маршрутних випробувань. Однак для повного вирішення біонічної універсальності та реактивності, подібно до цілих біологічних кінцівок, біонічні можливості повинні бути протестовані за більш широким набором умов руху. До таких майбутніх випробувань можуть входити моторні завдання, що вимагають високої ширини керування, такі як спринт, стрибки та баланс на одній нозі. Крім того, у цьому дослідженні досліджувалася лише реактивність біоніки на статичне зовнішнє збурення. У майбутніх дослідженнях можна продемонструвати реактивність біоніки на більш динамічні збурення, такі як випадкові нерівності на дорозі та балансові збурення. До цього часу процедура ампутації AMI була проведена понад у 50 пацієнтів на різних рівнях ампутації, включаючи транстибіальні, трансфеморальні, трансрадіальні та трансгумеральні рівні. У майбутніх дослідженнях ми плануємо оцінити здатність цих хірургічних технік до покращення залишкових аферентів та удосконалення нейропротезного керування на різних ступенях свободи та альтернативних рівнях ампутації. Нові відкриття цього дослідження можуть визначити подальші досягнення в галузі реконструктивної хірургії та технологій нейроінтерфейсів для досягнення ще вищих рівнів відновлення аферентів та біоміметичної моторної функції. Ми також очікуємо, що подібні технологічні рамки можуть бути застосовані до нейропротезного інтеграції широкого спектру пристроїв, від протезів верхніх кінцівок до екзоскелетних кінцівок. Враховуючи технічні виклики, пов'язані з повним відновленням аферентів, наші висновки свідчать про те, що часткове відновлення може бути достатнім для того, щоб людська нервова система досягла біоміметричної нейропротезної функції під повним нейромодуляцією.

ДЖЕРЕЛО: https://www.nature.com/

На платформі Accemedin багато цікавих заходів! Аби не пропустити їх, підписуйтесь на наші сторінки! Facebook. Telegram. Viber. Instagram.