Біоніка та нейропротезування: майбутнє функціональності з біомедичною інженерією

Біоніка та нейропротезування — це дві галузі біомедичної інженерії, які спрямовані на відновлення або посилення втрачених функцій у людей із сенсорними, моторними чи когнітивними порушеннями шляхом розробки штучних пристроїв, які імітують природні біологічні системи.

Долучайтесь до перегляду заходів в межах проєкту Ortho Trauma Friday

Перетин біології та техніки

Біомедична інженерія, конвергенція медицини, біології та інженерії, розвивалася протягом багатьох років у відповідь на досягнення науки та техніки. Від створення першого апарату для діалізу нирок до розробки протезів біомедична інженерія досягла значних успіхів у покращенні якості життя багатьох людей.

Біоніка та нейропротезування є ключовими для цих досягнень. Ці дисципліни тісно пов’язані з розвитком технологій мікросистем, нанотехнологій, інформаційних технологій, біотехнологій та застосуванням нових матеріалів. Ці пристрої використовують електричні стимули для стимуляції нейронних структур для підтримки, посилення або часткового відновлення порушеної або втраченої функції.

Наука про біоніку та нейропротезування

Основою біоніки та нейропротезування є бездоганна інтеграція біологічних систем зі штучними механізмами. Використовуючи такі принципи, як біосумісність і нейропластичність, дослідники успішно розробили біомедичні продукти, які імітують природні функції організму. Яскраві приклади включають кохлеарні імплантати, імплантати сітківки та протези кінцівок.

Кохлеарні імплантати перетворюють звук в електричні сигнали, які безпосередньо стимулюють слуховий нерв, минаючи пошкоджені війкові клітини, а імплантати сітківки перетворюють світло в електричні сигнали, які проходять через зоровий нерв.

Сучасні протези кінцівок також досягли значного прогресу в імітації природних рухів. Вони використовують датчики, мікропроцесори та міоелектричні технології, якими можуть керувати власні нейронні сигнали користувача.

Одним із прикладів є система імплантатів e-OPRA. Він прикріплює протез руки до кістки ампутованої кукси, а електроди, імплантовані в м’язи та нерви ампутованої руки, разом із вбудованим роз’ємом створюють електричний інтерфейс. Ці електроди підключаються до датчиків в тілі через систему керування Integrum в протезі. Передаючи сенсорний сигнал від протеза назад до користувача, вони можуть контролювати його рух.

Усі ці протези та пристрої працюють через нейронні інтерфейси, які є фундаментальною ланкою між біологічною системою та машиною. Зараз використовується кілька типів нейронних інтерфейсів. Одним із них є інтерфейси мозок-комп’ютер (BCI).

BCI забезпечують прямий зв’язок між мозком і зовнішнім пристроєм, дозволяючи людям керувати пристроями за допомогою їхніх нейронних сигналів. ВСІ можуть використовувати інвазивні або неінвазивні методи, такі як електрокортикографія або електроенцефалографія (ЕЕГ). Вони показали перспективу в наданні допомоги людям з бічним аміотрофічним склерозом, церебральним паралічем, інсультом або травмою спинного мозку.

Інші підходи включають інтерфейси периферичних нервів, які з’єднують периферичні нерви з протезною кінцівкою, щоб забезпечити двонаправлений зв’язок. Такі методи, як цілеспрямована реіннервація м’язів (TMR), перенаправляють нерви для активації певних м’язів, дозволяючи користувачам керувати протезом більш інтуїтивно.

Нарешті, оптогенетичні інтерфейси є ще одним багатообіцяючим нейронним інтерфейсом. Оптогенетика поєднує генну інженерію та світлочутливі білки для контролю нейронної активності за допомогою світла. Цей метод показав потенціал для модуляції нейронних ланцюгів і відновлення функцій на тваринних моделях, але його клінічне застосування все ще знаходиться на ранніх стадіях досліджень.

Досягнення та віхи

Є кілька успішних прикладів пацієнтів, які отримали користь від біоніки та нейропротезування. Одним із найсвіжіших прикладів є випадок 27-річної пацієнтки з однобічним акушерським ушкодженням плечового сплетення. Люди з важкими ушкодженнями зазвичай стикаються зі значними обмеженнями у своєму повсякденному житті через обмежену функцію кисті й руки, і традиційні реконструктивні методи часто не можуть відновити їх використання.

Цей пацієнт пройшов біонічну реконструкцію, включаючи планову ампутацію, деротаційну остеотомію плечової кістки та міоелектричне протезування. Функціональні оцінки та опитувальники для самооцінки показали значне покращення функції рук і незалежності в повсякденній діяльності.

Іншим прикладом є дослідження, проведене клінікою Клівленда у 2021 році, де дослідники розробили новаторський нейроробот-протез руки для людей з ампутацією верхніх кінцівок. Ця біонічна система покращила здатність власника думати, поводитись і діяти так само як людина без ампутації. Поєднуючи інтуїтивне управління рухом, дотик і кінестезію захоплення, протез руки забезпечував двонаправлений зворотний зв’язок і контроль.

Два учасники з ампутаціями верхніх кінцівок, які пройшли цілеспрямовану сенсорну та моторну реіннервацію, успішно випробували біонічну кінцівку, досягнувши рівня точності, порівнянного з людьми без інвалідності. Ці дослідження демонструють значний вплив, який прогрес у цих сферах може мати на покращення якості життя пацієнтів.

«Нейропротез» повертає слова людині з паралічем

Виклики та етичні міркування

Незважаючи на значні успіхи, ці галузі все ще стикаються з кількома проблемами та обмеженнями. Однією з головних проблем є специфічність зворотного зв’язку, яку забезпечують ці пристрої. Пацієнти часто відчувають роздратування або відчуття шоку, що може бути перешкодою для успішного впровадження цих технологій.

Крім того, існують ризики для здоров’я, пов’язані з імплантацією будь-якого пристрою в організм, оскільки ці пристрої впливають на нейронні зв’язки людини.

Крім того, довгострокова життєздатність і біосумісність стимуляційних електродів, вибір відповідних стратегій для кожного пацієнта і краще розуміння пластичності мозку є одними з технічних і біологічних проблем, які ще потрібно подолати.

Швидкий розвиток біоніки та нейропротезування також викликає кілька етичних проблем. Наприклад, існують проблеми, пов’язані з інформованою згодою, особливо для пацієнтів із синдромом замкнутості.

Питання конфіденційності та безпеки також викликають занепокоєння. Тому важливо збалансувати потенційні переваги цих технологій та їхні етичні наслідки.

ДЖЕРЕЛО: https://www.news-medical.net