Мини-мышцы позволяют людям с ампутированными конечностями управлять рукой робота с помощью своего разу

 

Люди, у которых отсутствует рука, использовали свои умы для управления протезом, руководствуясь сигналами от нервов в руке.

Подход может сделать манипулирование протезом более естественным, точным и надежным

Одно дело - создать красивую роботизированную руку. Другое дело - заставить его выполнять ваши приказы. Несмотря на все протезы в форме рук, предназначенные для сгибания каждого сложного сустава по сигналу, все еще существует проблема того, как послать этот сигнал из мозга владельца.

Теперь, подключаясь к сигналам от нервов в руке, исследователи позволили ампутированным точно управлять роботизированной рукой, просто думая об их предполагаемых движениях пальцев. Интерфейс, который опирается на набор крошечных мышечных трансплантатов для усиления нервных сигналов пользователя, только что прошел свой первый тест на людях: он переводил эти сигналы в движения, и его точность оставалась стабильной с течением времени.

"Это действительно довольно многообещающая и прекрасная работа", - говорит Грегори Кларк, нейронный инженер из Университета Юты, который не участвовал в исследовании. Это "открывает новые возможности для лучшего контроля".

Большинство современных роботизированных протезов работают путем записи — с поверхности кожи — электрических сигналов от мышц, оставшихся нетронутыми после ампутации. Некоторые люди с ампутированными конечностями могут управлять своей искусственной рукой, сокращая мышцы, оставшиеся в предплечье, которые контролировали бы их пальцы. Если эти мышцы отсутствуют, люди могут научиться использовать менее интуитивные движения, такие как сгибание мышц предплечья.

Однако эти настройки могут быть привередливыми. Электрический сигнал изменяется, когда рука человека потеет, опухает или скользит в гнезде протеза. В результате устройства приходится перекалибровать снова и снова, и многие люди решают, что носить тяжелую роботизированную руку весь день просто не стоит, говорит Шрия Шринивасан, биомедицинский инженер Массачусетского технологического института.

Но есть и другой способ подключиться к предполагаемым движениям человека: слушая нервы, которые передают команды мозга вниз по руке. Провода, посаженные непосредственно в эти нервы, могут улавливать электрические сигналы для управления протезом. Но сигналы слабые, и небольшие движения тонкого нервного волокна относительно регистрирующего электрода могут изменить или затенить тонкое сообщение нерва.

Поэтому исследователи попытались усилить нервные сигналы, подключив их к мышце. Некоторые перенаправили нервы из руки в грудную мышцу и подняли сильный электрический сигнал, когда человек сокращает эту мышцу, думая о движении руки.

Но хирурги должны удалить некоторые существующие нервы в грудной клетке, чтобы проложить новые. Как говорит Кларк, "есть только одна машина, которая может поместиться на парковочном месте". Это означает, что процедура может поставить под угрозу мышцу, которую некоторые ампутанты используют для перемещения оставшегося плеча.

Уже около 10 лет команда под руководством пластического хирурга Пола Седерны из Мичиганского университета (UM) в Анн-Арборе разрабатывает альтернативный подход: дать нервам новые собственные минимускулы. Исследователи изолируют пучки волокон от каждого из основных нервов в руке и оборачивают каждый пучок в кусок мышечной ткани размером примерно с скрепку, часто собираемую с бедра. Процесс в основном создает новый набор мышц пальцев внутри предплечья или бицепса человека.

Поскольку обертывание нервов таким образом также снимает определенные виды боли, распространенные после ампутации, сотни людей уже прошли процедуру, но без проволочных имплантатов, которые могли бы записывать из мышц для управления протезом. В новом исследовании, опубликованном сегодня в Science Translational Medicine, Cederna и нейронный инженер UM Синтия Честек описывают первый тест этого шага управления.

Исследователи сообщают, что у трех участников с ампутациями в разных точках руки, у которых уже были мышечные имплантаты, провода, вставленные через кожу рядом с мышечными трансплантатами, могли легко улавливать их электрические сигналы. Даже при ампутации около плеча компьютер мог интерпретировать, какие крошечные мышцы сокращаются и насколько, чтобы изолировать различные предполагаемые движения— например, сгибание указательного пальца против большого пальца.

"Изоляция, которую они получают с помощью этих маленьких мышечных трансплантатов, действительно замечательна", - говорит Кларк.

Два участника — оба с ампутациями на запястье — выбрали долгосрочные электродные имплантаты, что позволило провести дальнейшие испытания их ручного управления. Используя компьютерные алгоритмы, которые "научились" преобразовывать электрические сигналы в предполагаемые движения, участники могли предложить виртуальной руке на экране компьютера принять любую из пяти позиций по сигналу. И при управлении коммерчески доступным протезом, называемым рукой ЛЮКА, оба участника могли перемещать большой палец к точным целям в пространстве, а также собирать и складывать набор небольших деревянных блоков.

Поскольку протез полагается на сигналы от нервов, естественно участвующих в движении руки, участники могли заставить его двигаться так, как они хотели, с первой попытки, говорит Честек; им нечему было учиться. И без повторной калибровки системы ее команда обнаружила, что участники сохраняли одинаковую степень контроля через 300 дней. "Нет причин, по которым это исчезнет", - говорит Честек. "Нерв стабилен и счастлив".

Установка не готова к прайм-тайму. На данный момент провода привязывают участников к лабораторному оборудованию, которое считывает и интерпретирует электрические сигналы. Chestek и Cederna в конечном итоге планируют разработать компактный имплантат, который не требует проводов, которые торчат через кожу. Если устройство может быть оптимизировано и получить одобрение регулирующих органов, оно может предложить ампутированным роботизированным придаткам, которые меньше горстки.