Hjärnkontrollerade bioniska lemmar närmar sig verkligheten

Ordet "bionisk" framkallar sci-fi visioner av människor förbättrade till övermänskliga nivåer. Det är sant att tekniska framsteg såsom bättre motorer och batterier, tillsammans med modern beräkning, innebär att de nödvändiga mekaniska och elektroniska systemen inte längre utgör något hinder för avancerade proteser. Men fältet har haft svårt att integrera dessa kraftfulla maskiner med människokroppen. Det börjar förändras. En nylig studie testade en ny integrationsmetod, som innebär kirurgisk återkonstruktion av muskelpar som ger mottagaren en känsla av position och rörelse hos ett bioniskt lemmel. Signalerna från dessa muskler kontrollerar robotiska leder, så protesen är helt under användarens hjärnkontroll. Systemet möjliggjorde att personer med underbensamputationer gick mer naturligt och bättre navigerade i backar, trappor och hinder, rapporterade forskare i juli numret av Nature Medicine. Ingenjörer har vanligtvis betraktat biologi som en fast begränsning som måste konstrueras kring, säger bioingenjören Tyler Clites, som hjälpte till att utveckla tekniken för flera år sedan vid MIT. "Men om vi betraktar kroppen som en del av systemet som ska konstrueras, parallellt med maskinen, kommer de två att kunna interagera bättre." Den synen driver en våg av metoder som omkonstruerar kroppen för att bättre integrera sig med maskinen. Clites, numera vid UCLA, kallar sådana tekniker "anatomiska" för att skilja dem från traditionell bionik. "Problemet vi försökte lösa var inte ett tekniskt problem," säger han. "Sättet kroppen manipulerades under amputationen lämnade den inte i ett läge där den kunde kontrollera de lemmar vi skapade." I en anatomiskt ansats utnyttjas ben för att ge stabila fästpunkter; nerver omdirigeras för att skapa kontrollsignaler för robotiska lemmar eller för att överföra sensorisk feedback; muskler tas i anspråk som biologiska förstärkare eller transplanteras på plats för att ge fler signaler. Dessa tekniker förbättrar alla anslutningen och kommunikationen mellan en robotlem och det mänskliga nervsystemet, vilket förbättrar vad bioniska proteser är kapabla till. Anatomiskt baserade enheter har varit långsamma att ta sig från labben och in i den kommersiella och kliniska världen. Men vissa säger att fältet närmar oss den sci-fi visionen om sömlöst integrerade, hjärnkontrollerade bioniska lemmar - speciellt med fler framsteg runt hörnet. Här är en närmare titt på hur forskare strävar efter att förena kropp och maskin. Proprioception - kroppens medvetenhet om sig själv i rymden - är en svår sinnesupplevelse att återställa, men den är viktig för rörelse, särskilt gång (9/9/19). Muskler skickar signaler till vårt hjärna om var vår kropp är, hur den rör sig och vilka krafter den möter. Dessa signaler genereras främst av kopplade muskler som kallas agonist-antagonistpar, där en kontraherar medan den andra sträcker ut sig. I en traditionell amputation kastas denna viktiga feedback bort. Men tekniken som rapporterades i juli studien, känd som en agonist-antagonist myoneural interface, eller AMI, rekonstruerar kirurgiskt dessa knuff-dragpar och använder de signaler de genererar för att kontrollera protetiska leder. Proceduren gör att mottagaren kan "känna" sitt protetiska lem. "När protesen rör sig känner personen faktiskt den rörelsen som en naturlig proprioceptiv sensation," säger MIT-bionikern Hugh Herr, som utvecklade tekniken tillsammans med Clites och teamets kirurg Matthew Carty. Den senaste studien var en del av en klinisk prövning som Herr och kollegor genomför, som testade tekniken på 14 personer med underbensamputation. Sju deltagare hade genomgått AMI-proceduren, medan de andra hade standardamputationer. Mottagarna av systemet baserat på AMI ökade sin gångfart med cirka 40 procent från 1,26 meter per sekund till 1,78 meter per sekund, fann forskarna, en hastighet jämförbar med de utan amputation. De vanligaste klagomålen från protesanvändare rör smärta och obehag. En stor källa till obehag är fästpunkten. "Många av problemen med protesanvändning rör sockeln," säger bioingenjören Cindy Chestek vid University of Michigan i Ann Arbor. Fjädrande kött passar dåligt för att överföra belastningar till den del av kroppen som är byggd för den uppgiften - benen. Den resulterande belastningen kan orsaka vävnadsskador och, oundvikligen, obehag, ibland leder användare att överge sin enhet. En teknik som kallas osseointegration utnyttjar att vissa metaller binder med benen. En titanbult som sätts in i skelettet förankrar protesen på plats, vilket ger större styrka, stabilitet och komfort. "Det finns en anledning till varför vi har skelett," säger Chestek.Procedure utfördes först 1990 men blev inte allmänt accepterat och kliniskt tillgängligt förrän under det senaste decenniet. Ett implantatsystem, kallat OPRA, fick godkännande från den amerikanska livsmedels- och läkemedelsförvaltningen 2020. Huvudnackdelen är att titanbulten måste gå igenom huden, vilket skapar ett permanent hål som medför smittorisken. "Förutom smittorisken är benfästning bättre på alla sätt," säger Chestek. Bionicister har länge strävat efter att nå in i kroppens nerver för att skapa proteser som kommunicerar med hjärnan. Men tidiga försök var frustrerande, främst eftersom signalerna som nerverna bär är mycket svaga. "Människor försökte i årtionden att få meningsfulla signaler från [att placera] en tråd inuti en nerv," säger Chestek. "Än i dag är det nästan omöjligt utanför en kontrollerad laboratoriemiljö." Moderna bioniska proteser kommunicerar främst med muskler istället. När muskler aktiveras av en nerv utsänder de mycket större elektriska signaler, som kan uppfångas av elektroder på huden, vilka sedan kontrollerar den protetiska lemmen. Men nerver som tidigare styrde delar av ett saknat lem - och som skulle kunna effektivt styra den konstgjorda lemmen - slutar vanligtvis inte i muskler. De leder ingenstans, vilket skapar neuromer, knölar på nervändarna vars elektriska "gnistor" orsakar smärta. En procedur kallad targeted muscle reinnervation, eller TMR, löser detta problem. En kirurg tar bort muskler från deras naturliga nerver och omdirigerar avskurna nerver till denna nyklarade mark. Omdirigerade nerver växer in i musklerna över tid, vilka fungerar som förstärkare och skapar källor till de nödvändiga kontrollsignalerna. "Du förvandlar ett nervinspelningsproblem till ett muskelinspelningsproblem," säger Chestek. "Muskelinspelning är enkelt." Procedurer behandlar också neuromsmärta - ett syfte för vilket det ofta utförs. Nackdelen är att TMR kannibaliserar befintliga muskler, vilket begränsar antalet signaler som kan skapas. "Du går ganska fort utan real estate," säger Chestek. Detta är särskilt viktigt för amputationer ovanför knäet eller armbågen, där det finns färre muskler kvar och fler protetiska leder att kontrollera. En ny teknik, känd som en regenerativ perifer nervgränssnitt, eller RPNI, sätter in små muskeltransplantat som tas från annorstädes och omdirigerar nerver till dessa istället. Kirurger kan sedan dissekera dessa nervknippen i sina konstituerande fibrer för att dra nytta av de nytransplanterade målen, vilket tillåter forskare att skapa så många signaler som de behöver, säger Chestek. Den lilla storleken på muskeltransplantaten gör det svårt att hämta signaler från dem med hjälp av ytelektroder. "Du kan inte spela in [elektriska signaler] från ett tre centimeter stort muskelstycke genom huden så lätt," säger Chestek. "Du måste använda implanterade elektroder." Detta är mer invasivt, och implantat möter regleringshinder, men implanterade elektroder producerar högkvalitativa signaler. De måste bara nås på något sätt, eftersom det inte är möjligt att köra trådar genom huden utanför laboratoriestudier. Vissa forskare arbetar med trådlösa system, men en annan lösning är att kombinera RPNI med beninfästning. I denna uppställning löper trådar mellan implanterade elektroder och protesen helt enkelt genom titanbulten. En studie som publicerades förra året beskrev en bionisk arm ovanför armbågen som använder detta tillvägagångssätt som möjliggjorde att mottagaren kontrollerade varje finger på sin robotiserade hand. På hans UCLA anatommiljö labb, säger Clites, "Jag har nio eller tio aktiva samarbeten med kirurger om olika projekt." Här använder han och hans team kadaver för att testa idéer och samla data. "Vi kommer fästa kadavere på en manipulerbar arm och utvärdera de system vi utvecklar för att säkerställa att de fungerar som avsett," säger Clites. "Det är grunden för det vi gör." Ett av projekten under utveckling är en ny fästmetod som undviker det permanenta hålet som följer med beninfästning. Istället för en titanbult finns det en bit stål i lemmen och en elektromagnet i sockeln för protesen. "Den magneten håller [sockeln] på lemmen," säger Clites, "och sedan kan du kontrollera hur mycket attraktionskraft det finns genom att ändra strömmen genom den elektromagneten." Sockeln behöver inte bära laster; den magnetiska kraften utför det jobbet, ändras från ögonblick till ögonblick enligt krav, såsom gång och stående.

På MIT arbetar Herr också med en ny framgång. Den senaste provningen av AMI-baserade bioniska ben använde elektroder på huden för att föra signaler från musklerna till proteslederna. Men ytelektroder har nackdelar, såsom att rörelse skapar signalförvanskningar. Den nya tekniken - kallad magnetomicrometry - innebär att placera magnetiska kulor inne i musklerna och overvaka deras rörelse med magnetometrar. "Med dessa magneter," säger Herr, "kan vi mäta det vi är intresserade av och använda det för att direkt kontrollera den bioniska protesen." En kommersiell produkt kommer att finnas om cirka fem år, säger han.

För Herr är sådana framsteg personliga. Båda hans ben amputerades under knäet efter en bergsklättringsolycka för 42 år sedan. Han tänker på att uppgradera till AMI-baserade bioniska benproteser under de kommande åren. När dessa tekniker är perfektionerade förutspår han en stor framsteg. "När du kombinerar kirurgiska tekniker som AMI och RPNI med något som magnetomicrometry, tror vi att det kommer att vara game over," säger Herr. "Vi tror att det kommer att finnas Hollywood-versionen av hjärnkontrollerade robotiska lemmar."

En tilläggsfördel med återställande av proprioception, vid sidan av andra typer av sensoriska återkopplingar såsom beröring, är att det får mottagarna att känna att protesen är en del av dem själva (SN: 4/22/21). "Målet inom området är när vi gör robotisk rekonstruktion, att personen säger, 'Åh herregud, du har gett mig min kropp tillbaka,'" säger Herr. "Istället för ett robotverktyg ger vi dem ett helt ben tillbaka. Området är väldigt nära det målet."