Gehirngesteuerte bionische Gliedmaßen kommen der Realität näher

Das Wort "bionisch" ruft Science-Fiction-Visionen von Menschen hervor, die auf übermenschliche Levels verbessert wurden. Es stimmt, dass technische Fortschritte wie bessere Motoren und Batterien zusammen mit moderner Computertechnologie bedeuten, dass die erforderlichen mechanischen und elektronischen Systeme keine Barriere mehr für fortschrittliche Prothesen darstellen. Aber das Feld hat Schwierigkeiten, diese leistungsstarken Maschinen mit dem menschlichen Körper zu integrieren. Das beginnt sich zu ändern. Ein kürzlich durchgeführter Test hat eine neue Integrationsmethode getestet, bei der Muskelpaare chirurgisch rekonstruiert werden, um den Empfängern ein Gefühl für die Position und Bewegung eines bionischen Glieds zu geben. Signale von diesen Muskeln steuern robotische Gelenke, so dass die Prothese vollständig unter der Kontrolle des Gehirns des Benutzers steht. Das System ermöglichte Menschen mit Unterschenkelamputationen, natürlicher zu gehen und sich besser auf Gefälle, Treppen und Hindernisse zurechtzufinden, berichteten Forscher im Juli im Nature Medicine. Ingenieure haben Biologie typischerweise als eine feste Einschränkung betrachtet, um sie herum zu konstruieren, sagt der Bioingenieur Tyler Clites, der die Technik vor mehreren Jahren kommentierte, während er am MIT war. "Aber wenn wir den Körper als Teil des zu konstruierenden Systems betrachten, parallel zur Maschine, werden die beiden besser interagieren können." Diese Sichtweise treibt eine Welle von Techniken an, die den Körper neu gestalten, um besser mit der Maschine zu interagieren. Clites, der jetzt an der UCLA ist, bezeichnet solche Techniken als "Anatomics", um sie von der traditionellen Bionik zu unterscheiden. "Das Problem, das wir lösen, war kein technisches Problem", sagt er. "Die Art und Weise, wie der Körper während der Amputation manipuliert wurde, ließ ihn nicht in der Lage, die Gliedmaßen zu steuern, die wir kreierten." Bei einem anatomischen Ansatz werden Knochen ausgenutzt, um stabile Verankerungen bereitzustellen; Nerven werden umgeleitet, um Steuersignale für robotische Gliedmaßen zu erzeugen oder sensorisches Feedback zu übertragen; Muskeln werden als biologische Verstärker benutzt oder an Ort und Stelle transplantiert, um mehr Signale zu liefern. Diese Techniken verbessern alle die Verbindung und Kommunikation zwischen einer robotischen Gliedmaße und dem menschlichen Nervensystem, verbessern, was bionische Prothesen können. Anatomics-basierte Geräte haben sich langsam ihren Weg aus den Labors in die kommerziellen und klinischen Welten gebahnt. Aber einige sagen, dass das Feld uns näher an diese Science-Fiction-Vision von nahtlos integrierten, gehirngesteuerten bionischen Gliedmaßen bringt - besonders, da noch weitere Fortschritte um die Ecke liegen. Hier ein genauerer Blick darauf, wie Forscher versuchen, Körper und Maschine zu vereinen. Propriozeption - das Körperbewusstsein im Raum - ist ein schwieriger Sinn wiederherzustellen, aber er ist wichtig für die Bewegung, besonders das Gehen. Muskeln senden Signale an unser Gehirn über die Position unseres Körpers, wie er sich bewegt und welche Kräfte er ausgesetzt ist. Diese Signale werden hauptsächlich von gekoppelten Muskeln erzeugt, so genannte Agonist-Antagonist-Paare, bei denen einer sich zusammenzieht, während der andere sich dehnt. Bei einer traditionellen Amputation wird dieses wichtige Feedback verworfen. Aber die in der Juli-Studie berichtete Technik, bekannt als Agonist-Antagonist-Myoneurale Schnittstelle oder AMI, rekonstruiert chirurgisch diese Druck-Zug-Paare und verwendet die von ihnen erzeugten Signale zur Steuerung von Prothesengelenken. Das Verfahren ermöglicht es einem Empfänger, sein prosthetisches Glied "zu fühlen". "Wenn die Prothese sich bewegt, spürt die Person tatsächlich diese Bewegung als natürliche propriozeptive Empfindung", sagt MIT Bioniker Hugh Herr, der die Technik neben Clites und dem Teamchirurgen Matthew Carty entwickelt hat. Die kürzliche Studie war Teil einer klinischen Studie, die Herr und Kollegen durchführen, die die Technik an 14 Personen mit Unterschenkelamputation getestet hat. Sieben Teilnehmer hatten das AMI-Verfahren durchlaufen, während die anderen Standardamputationen hatten. Empfänger des AMI-basierten Systems erhöhten ihre Gehgeschwindigkeit um etwa 40 Prozent von 1,26 Metern pro Sekunde auf 1,78 Metern pro Sekunde, fanden die Forscher heraus, eine Rate, die vergleichbar ist mit der von Menschen ohne Amputation. Die häufigsten Beschwerden von Prothesennutzern betreffen Schmerzen und Unannehmlichkeiten. Ein Hauptgrund für Unannehmlichkeiten ist der Befestigungspunkt. "Viele Probleme bei der Verwendung von Prothesen hängen mit der Sockelverbindung zusammen", sagt die Bioingenieurin Cindy Chestek von der University of Michigan in Ann Arbor. Weiches Fleisch ist schlecht geeignet, um Lasten an den Teil des Körpers zu übertragen, der für diese Aufgabe gebaut ist - Knochen. Die resultierende Belastung kann Gewebeschäden und damit Unannehmlichkeiten verursachen, manchmal dazu führen, dass Benutzer ihr Gerät aufgeben. Eine Technik namens Osseointegration nutzt die Tatsache aus, dass bestimmte Metalle mit Knochen binden. Ein Titanbolzen, der in das Skelett eingeführt wird, verankert die Prothese an Ort und Stelle und bietet eine größere Stärke, Stabilität und Komfort. "Es gibt einen Grund, warum wir ein Skelett haben", sagt Chestek.

Das Verfahren wurde erstmals im Jahr 1990 durchgeführt, wurde jedoch erst im letzten Jahrzehnt weit verbreitet akzeptiert und klinisch verfügbar gemacht. Ein Implantatsystem namens OPRA erhielt im Jahr 2020 die Zulassung der US-amerikanischen Food and Drug Administration. Der Hauptnachteil besteht darin, dass der Titanbolzen durch die Haut gehen muss, was ein dauerhaftes Loch erzeugt, das Infektionsrisiken birgt. "Abgesehen vom Infektionsrisiko ist die Osseointegration in jeder Hinsicht besser", sagt Chestek.

Bioniker haben lange versucht, auf die Nerven des Körpers zuzugreifen, um Prothesen zu schaffen, die mit dem Gehirn kommunizieren. Frühe Bemühungen waren jedoch frustrierend, hauptsächlich weil die Signale, die Nerven tragen, sehr schwach sind.

"Die Leute haben jahrzehntelang versucht, sinnvolle Signale aus einem Draht innerhalb eines Nervs zu erhalten", sagt Chestek. "Bis heute ist es außerhalb eines kontrollierten Labors fast unmöglich."

Moderne bionische Prothesen kommunizieren hauptsächlich mit Muskeln. Wenn Muskeln durch einen Nerv aktiviert werden, senden sie viel größere elektrische Signale aus, die von Elektroden auf der Haut aufgenommen werden können, die dann die Prothesen steuern.

Die Nerven, die zuvor Teile eines fehlenden Gliedes steuerten - und ebenfalls effizient das künstliche Glied steuern könnten - enden normalerweise nicht in Muskeln. Sie führen ins Leere, was zu Neuromen führt, knollige Verdickungen an Nervenenden, deren "Funkenflug" Schmerzen verursacht.

Ein Verfahren namens zielgerichtete Muskelerneuerung oder TMR löst dieses Problem. Ein Chirurg entnimmt Muskeln ihren nativen Nerven und leitet durchtrennte Nerven um zu diesem freigelegten Terrain. Umgeleitete Nerven wachsen im Laufe der Zeit in die Muskeln hinein, die als Verstärker fungieren und die erforderlichen Steuersignale liefern. "Sie verwandeln ein Nervenaufnahmeproblem in ein Muskelaufnahmeproblem", sagt Chestek. "Die Aufnahme von Muskelaktivitäten ist einfach." Das Verfahren behandelt auch Neuromaschmerzen - ein Zweck, für den es häufig durchgeführt wird.

Der Nachteil ist, dass TMR vorhandene Muskeln verbraucht, was die Anzahl der erzeugten Signale beschränkt. "Sie haben relativ schnell keinen Platz mehr", sagt Chestek. Dies ist besonders wichtig bei Amputationen oberhalb des Knies oder Ellenbogens, wo weniger verbleibende Muskeln vorhanden sind und mehr prothetische Gelenke gesteuert werden müssen.

Eine neue Technik, bekannt als regeneratives peripheres Nerveninterface oder RPNI, implantierth Kleine Muskeltransplantate, die anderswo entnommen wurden, und leitet Nerven um zu diesen Transplantaten. Chirurgen können diese Nervenbündel dann in ihre konstituierenden Fasern sezieren, um auf die neu transplantierten Ziele zu setzen, was es den Forschern ermöglicht, so viele Signale zu erzeugen, wie sie benötigen, sagt Chestek.

Die geringe Größe der Muskeltransplantate macht es jedoch schwierig, Signale von ihnen mit Oberflächenelektroden aufzunehmen. "Sie können nicht sehr leicht [elektrische Signale] von einem drei Zentimeter langen Stück Muskel durch die Haut aufnehmen", sagt Chestek. "Sie müssen implantierte Elektroden verwenden." Dies ist invasiver und Implantate stoßen auf regulatorische Hürden, aber implantierte Elektroden erzeugen Signale von höherer Qualität. Sie müssen nur irgendwie zugänglich gemacht werden, da das Verlegen von Drähten durch die Haut außerhalb von Laborexperimenten nicht praktikabel ist.

Einige Forscher arbeiten an drahtlosen Systemen, aber eine andere Lösung besteht darin, RPNIs mit Osseointegration zu kombinieren. In dieser Konfiguration laufen die Drähte zwischen den implantierten Elektroden und der Prothese einfach durch den Titaniumbolzen. Eine im letzten Jahr veröffentlichte Studie beschrieb einen über dem Ellenbogen sitzenden bionischen Arm, der dieses Konzept verwendete und es dem Empfänger ermöglichte, jeden Finger seiner robotischen Hand zu steuern.

In seinem anatomischen Labor an der UCLA sagt Clites: "Ich habe neun oder zehn aktive Zusammenarbeiten mit Chirurgen an verschiedenen Projekten." Hier verwenden er und sein Team Leichen, um Ideen zu testen und Daten zu sammeln. "Wir montieren Leichenteile an einen Manipulatorarm und bewerten die von uns entwickelten Systeme, um sicherzustellen, dass sie wie beabsichtigt funktionieren", sagt Clites. "Das ist das Rückgrat unserer Arbeit."

Eines der Projekte in der Entwicklung ist eine neue Befestigungsmethode, die das dauerhafte Loch vermeidet, das bei der Osseointegration entsteht. Anstelle eines Titanbolzens gibt es ein Stück Stahl im Glied und einen Elektromagneten im Sockel der Prothese. "Dieser Magnet hält [den Sockel] am Glied fest", sagt Clites, "und dann können Sie kontrollieren, wie viel Anziehungskraft es gibt, indem Sie den Strom durch den Elektromagneten ändern." Der Sockel muss keine Lasten tragen; die magnetische Kraft übernimmt diese Aufgabe und ändert sich von Moment zu Moment je nach Bedarf, beispielsweise beim Gehen oder Stehen.

Am MIT arbeitet Herr auch an einem neuen Fortschritt. Der kürzliche Versuch von AMI-basierten bionischen Beinen verwendete Elektroden auf der Haut, um Signale von den Muskeln zu den Prothesengelenken zu leiten. Aber Oberflächen-Elektroden haben Nachteile, wie beispielsweise Signalstörungen durch Bewegung verursacht werden. Die neue Technik - genannt Magnetomikrometrie - beinhaltet das Platzieren von magnetischen Kugeln in den Muskeln und Überwachung ihrer Bewegung mit Magnetometern. "Mit diesen Magneten," sagt Herr, "können wir messen, worauf es uns ankommt und es verwenden, um die bionische Prothese direkt zu steuern." Ein kommerzielles Produkt wird laut ihm in etwa fünf Jahren existieren.

Für Herr sind solche Fortschritte persönlich. Beiden seiner Beine wurden nach einem Bergsteigerunfall vor 42 Jahren unterhalb des Knies amputiert. Er denkt daran, in den kommenden Jahren auf AMI-basierte bionische Beinprothesen umzusteigen. Sobald diese Techniken perfektioniert sind, prognostiziert er einen großen Schritt nach vorne. "Wenn man chirurgische Techniken wie AMI und RPNI mit etwas wie Magnetomikrometrie kombiniert, glauben wir, dass es vorbei ist," sagt Herr. "Wir glauben, es wird die Hollywood-Version von gehirngesteuerten Roboter-Gliedmaßen geben."

Ein weiterer Vorteil der Wiederherstellung der Propriozeption, neben anderen Arten von sensorischem Feedback wie Berührung, besteht darin, dass Empfänger sich mehr fühlen, als ob eine Prothese ein Teil von ihnen ist (SN: 4/22/21). "Das Ziel in der Branche ist, wenn wir robotische Rekonstruktionen durchführen, sagt die Person, 'Oh mein Gott, du hast mir meinen Körper zurückgegeben.'" sagt Herr. "Anstatt eines robotischen Werkzeugs geben wir ihnen ein ganzes Glied zurück. Die Branche ist diesem Ziel sehr nahe."