Hersenen aangestuurde bionische ledematen komen steeds dichter bij de realiteit

Het woord "bionisch" roept sci-fi visies op van mensen verbeterd tot bovenmenselijke niveaus. Het is waar dat technologische vooruitgang zoals betere motoren en batterijen, samen met moderne computers, betekent dat de vereiste mechanische en elektronische systemen geen belemmering meer vormen voor geavanceerde prothesen. Maar het vakgebied heeft moeite gehad met het integreren van deze krachtige machines met het menselijk lichaam.

Dat begint te veranderen. Een recente proef testte een nieuwe integratietechniek, waarbij spierparen chirurgisch worden gereconstrueerd die ontvangers een gevoel geven van de positie en beweging van een bionische ledemaat. Signalen van die spieren besturen robotgewrichten, zodat de prothese volledig onder controle is van de hersenen van de gebruiker. Het systeem maakte het mogelijk voor mensen met onderbeenamputaties om natuurlijker te lopen en beter hellingen, trappen en obstakels te navigeren, rapporteerden onderzoekers in het juli-nummer van Nature Medicine.

Ingenieurs hebben biologie doorgaans beschouwd als een vaste beperking om omheen te werken, zegt bio-ingenieur Tyler Clites, die de techniek enkele jaren geleden heeft helpen ontwikkelen tijdens zijn tijd aan MIT. "Maar als we het lichaam beschouwen als onderdeel van het systeem om te worden ontwikkeld, parallel aan de machine, zullen de twee beter kunnen interacteren."

Die visie drijft een golf van technieken aan die het lichaam opnieuw vormgeven om beter te integreren met de machine. Clites, nu werkzaam aan UCLA, noemt dergelijke technieken "anatomisch", om ze te onderscheiden van traditionele bionica. "Het probleem waarmee we worstelden was geen technisch probleem," zegt hij. "De manier waarop het lichaam was gemanipuleerd tijdens de amputatie liet het niet in staat om de ledematen die we creëerden te controleren."

In een anatomische benadering worden botten geëxploiteerd om stabiele ankers te bieden; zenuwen worden omgeleid om aansturingsignalen te creëren voor robotledematen of sensoreterugkoppeling over te brengen; spieren worden ingezet als biologische versterkers of geïmplanteerd om meer signaalbronnen te bieden. Deze technieken verbeteren allemaal de verbinding en communicatie tussen een robotisch ledemaat en het menselijk zenuwstelsel, waardoor bionische prothesen tot meer in staat zijn (SN: 2/9/24).

Op anatomie gebaseerde apparaten maken langzaam hun weg van laboratoria naar de commerciële en klinische wereld. Maar sommigen zeggen dat het vakgebied ons dichter bij die sci-fi visie van naadloos geïntegreerde, op de hersenen bestuurde bionische ledematen haalt, vooral nu er meer vooruitgang in het verschiet ligt.

Hier is een nadere blik op hoe onderzoekers proberen lichaam en machine te combineren.

Proprioceptie - het lichaamsbewustzijn in de ruimte - is een lastige zintuig om te herstellen, maar het is belangrijk voor beweging, vooral bij lopen (SN: 9/9/19). Spieren sturen signalen naar onze hersenen over waar ons lichaam is, hoe het beweegt en welke krachten het tegenkomt. Deze signalen worden voornamelijk gegenereerd door gekoppelde spieren die agonist-antagonistparen worden genoemd, waarbij de ene spier samentrekt terwijl de andere zich uitrekt.

Bij een traditionele amputatie wordt deze belangrijke feedback verworpen. Maar de techniek die in de juli studie wordt beschreven, bekend als een agonist-antagonistische myoneurale interface, of AMI, reconstrueert deze duw-trek paren chirurgisch en gebruikt de signalen die ze genereren om prothetische gewrichten te controleren. De procedure maakt het voor de ontvanger mogelijk om hun prothetische ledemaat te "voelen".

"Wanneer de prothese beweegt, voelt de persoon die beweging daadwerkelijk als een natuurlijke proprioceptieve sensatie," zegt MIT-bionica-onderzoeker Hugh Herr, die de techniek samen met Clites en het team's chirurg Matthew Carty heeft ontwikkeld.

De recente studie was onderdeel van een klinische proef die Herr en collega's uitvoeren, waarin de techniek werd getest bij 14 mensen met onderbeenamputatie. Zeven deelnemers hadden de AMI-procedure ondergaan, terwijl de anderen standaardamputaties hadden. Ontvangers van het AMI-gebaseerde systeem verhoogden hun loopsnelheid met ongeveer 40 procent van 1,26 meter per seconde naar 1,78 meter per seconde, vonden de onderzoekers, een tempo vergelijkbaar met dat van mensen zonder amputatie.

De meest voorkomende klachten van prothesegebruikers betreffen pijn en ongemak. Een belangrijke bron van ongemak is het bevestigingspunt.

"Veel problemen met het gebruik van prothesen hebben te maken met de socket," zegt bio-ingenieur Cindy Chestek van de Universiteit van Michigan in Ann Arbor. Zacht weefsel is slecht geschikt voor het overbrengen van belastingen naar het deel van het lichaam dat voor die taak is gebouwd - botten. De resulterende spanning kan weefselschade veroorzaken en, onvermijdelijk, ongemak, waardoor gebruikers soms hun apparaat in de steek laten.

Een techniek genaamd osseointegratie maakt gebruik van het feit dat bepaalde metalen binden met bot. Een titanium bout ingebracht in het skelet verankert de prothese op zijn plaats, waardoor meer kracht, stabiliteit en comfort ontstaat. "Er is een reden waarom we skeletten hebben," zegt Chestek.

De procedure werd voor het eerst uitgevoerd in 1990 maar werd pas in het afgelopen decennium algemeen geaccepteerd en klinisch beschikbaar. Eén implantaatsysteem, genaamd OPRA, ontving goedkeuring van de U.S. Food and Drug Administration in 2020. Het grootste nadeel is dat de titanium bout door de huid moet gaan, waardoor een permanent gat ontstaat dat infectierisico's met zich meebrengt. "Afgezien van het infectierisico is osseointegratie op alle manieren beter," zegt Chestek.

Bionicists hebben er al lang naar gestreefd om toegang te krijgen tot de zenuwen van het lichaam om prothesen te creëren die communiceren met de hersenen. Maar de eerste inspanningen waren frustrerend, voornamelijk omdat de signalen die zenuwen dragen erg zwak zijn.

"Mensen hebben tientallen jaren geprobeerd om zinvolle signalen te krijgen van [het plaatsen van] een draad in een zenuw," zegt Chestek. "Tot op de dag van vandaag is het bijna onmogelijk buiten een gecontroleerde laboratoriumomgeving."

Modere bionische prothesen communiceren voornamelijk met spieren. Wanneer geactiveerd door een zenuw, produceren spieren veel grotere elektrische signalen, die kunnen worden opgepakt door elektroden op de huid, die dan de prothetische ledemaat besturen.

Maar zenuwen die eerder delen van een ontbrekende ledemaat aanstuurden — en die net zo efficiënt de kunstmatige ledemaat konden aansturen — eindigen meestal niet in spieren. Ze lopen nergens heen, wat neuromen creëert, bollen aan het einde van zenuwen waarvan de elektrische "vonken" pijn veroorzaken.

Een procedure genaamd targeted muscle reinnervation, oftewel TMR, lost dit probleem op. Een chirurg ontdoet spieren van hun oorspronkelijke zenuwen en leidt doorgesneden zenuwen om naar dit zojuist vrijgemaakte gebied. Omgeleide zenuwen groeien in de loop van de tijd in de spieren, die dienen als versterkers, waardoor bronnen van de benodigde besturingssignalen worden gecreëerd. "Je verandert een zenuwopnameprobleem in een spieropnameprobleem," zegt Chestek. "Spieropname is gemakkelijk." De procedure behandelt ook neuromatische pijn — een doel waarvoor het vaak wordt uitgevoerd.

Een nadeel is dat TMR bestaande spieren kannibaliseert, waardoor het aantal signalen dat kan worden gecreëerd beperkt is. "Je raakt vrij snel zonder ruimte," zegt Chestek. Dit is vooral belangrijk voor amputaties boven de knie of elleboog, waar minder spieren overblijven en meer prothetische gewrichten moeten worden aangestuurd.

Een nieuwe techniek, bekend als regeneratieve perifere zenuwinterface, of RPNI, plaatst chirurgisch kleine spiertransplantaten van elders en leidt zenuwen hier naartoe om. Chirurgen kunnen deze zenuwbundels dan ontleden tot hun samenstellende vezels om te profiteren van de nieuw geplaatste doelen, waardoor onderzoekers zoveel signalen kunnen creëren als ze nodig hebben, zegt Chestek.

De kleine omvang van de spiertransplantaten maakt het moeilijk om signalen van hen op te pikken met oppervlakte-elektroden. "Je kunt [elektrische signalen] niet gemakkelijk opnemen van een stuk spier van drie centimeter door de huid," zegt Chestek. "Je moet geïmplanteerde elektroden gebruiken." Dit is invasiever, en implantaten worden geconfronteerd met regelgevende obstakels, maar geïmplanteerde elektroden produceren signalen van hogere kwaliteit. Ze moeten gewoon op de een of andere manier toegankelijk zijn, omdat draden door de huid leiden buiten laboratoriumstudies niet haalbaar is.

Sommige onderzoekers werken aan draadloze systemen, maar een andere oplossing is het combineren van RPNIs met osseointegratie. In deze opstelling lopen draden tussen geïmplanteerde elektroden en de prothese eenvoudigweg door de titaanbout. Een vorig jaar gepubliceerde studie beschreef een boven-elleboog bionische arm die met deze benadering gebruik mogelijk maakte om elke vinger van zijn robotische hand te besturen.

Bij zijn UCLA anatomiek lab zegt Clites: "Ik heb negen of tien actieve samenwerkingen met chirurgen rond verschillende projecten." Hier gebruikt hij en zijn team kadavers om ideeën te testen en gegevens te verzamelen. "We monteren kadaverledematen op een manipulatorarm en evalueren de systemen die we ontwikkelen om ervoor te zorgen dat ze werken zoals bedoeld," zegt Clites. "Het is de ruggengraat van wat we doen."

Een van de projecten die in ontwikkeling is, is een nieuwe bevestigingsmethode die het permanente gat vermijdt dat gepaard gaat met osseointegratie. In plaats van een titaanbout is er een stuk staal in het ledemaat en een elektromagneet in de socket van de prothese. "Die magneet houdt [de socket] vast aan het ledemaat," zegt Clites, "en dan kunt u de mate van aantrekkingskracht regelen door de stroom door die elektromagneet te veranderen." De socket hoeft geen belastingen te dragen; de magnetische kracht vervult die taak, veranderend van moment tot moment volgens de eisen, zoals lopen versus staan.

Op MIT werkt Herr ook aan een nieuwe ontwikkeling. De recente test van op AMI-gebaseerde bionische benen gebruikte elektroden op de huid om signalen van spieren naar de prothetische gewrichten te leiden. Maar oppervlakte-elektroden hebben nadelen, zoals beweging die signaalvervormingen veroorzaakt. De nieuwe techniek - genaamd magnetomicrometrie - omvat het plaatsen van magnetische bolletjes binnen spieren en het monitoren van hun beweging met magnetometers. "Met deze magneten," zegt Herr, "kunnen we meten wat we belangrijk vinden en het gebruiken om de bionische prothese rechtstreeks te besturen." Een commercieel product zal over ongeveer vijf jaar bestaan, zegt hij.

Voor Herr zijn dergelijke ontwikkelingen persoonlijk. Beide van zijn benen werden onder de knie geamputeerd na een bergbeklimongeluk 42 jaar geleden. Hij overweegt om in de komende jaren over te stappen naar AMI-gebaseerde bionische beenprothesen. Zodra deze technieken zijn geperfectioneerd, voorspelt hij een grote sprong voorwaarts. "Wanneer je chirurgische technieken zoals AMI en RPNI combineert met iets als magnetomicrometrie, geloven we dat het game over is," zegt Herr. "We geloven dat er de Hollywood-versie zal zijn van door de hersenen aangestuurde robotledematen."

Een bijkomend voordeel van het herstellen van proprioceptie, naast andere soorten sensorische feedback zoals aanraking, is dat het ontvangers laat voelen alsof een prothese meer als onderdeel van henzelf is (SN: 22/4/21). "Het doel in het veld is wanneer we robotische reconstructie doen, dat de persoon zegt, 'Oh mijn God, je hebt me mijn lichaam teruggegeven,'" zegt Herr. "In plaats van een robotisch gereedschap, geven we hen een hele ledemaat terug. Het veld is heel dicht bij dat doel."