Las prótesis avanzadas pueden ayudar a los amputados a lograr una marcha natural, pero no brindan al usuario un control neurológico completo sobre la extremidad. En cambio, dependen de sensores y controladores robóticos que mueven las extremidades mediante algoritmos de marcha predefinidos.
Utilizando un nuevo tipo de intervención quirúrgica y una interfaz neuroprótesis, los investigadores del MIT, junto con colegas del Brigham and Women’s Hospital, han demostrado que es posible una prótesis de pierna impulsada enteramente por el propio sistema nervioso del cuerpo. El procedimiento de amputación quirúrgica vuelve a unir los músculos del miembro residual, lo que permite a los pacientes recibir información “proprioceptiva” sobre dónde se encuentra su prótesis en el espacio.
En un estudio de siete pacientes que se sometieron a esta cirugía, el equipo del MIT descubrió que podían caminar más rápido, evitar obstáculos y subir escaleras en comparación con aquellos que se sometieron a una amputación tradicional.
“Este es el primer estudio sintético hasta la fecha que muestra una prótesis de pierna bajo modulación neuronal completa, donde surge una marcha biomimética. Nadie ha podido mostrar el nivel de control cerebral que produce la marcha natural, como lo hace el sistema nervioso en los humanos”. controla el movimiento, no los algoritmos de control robóticos”, dice K. Lisa Yang, profesora de ciencias y artes de los medios, codirectora del Centro de Biónica del MIT, y miembro asociado del Instituto McGovern para la Investigación del Cerebro del MIT. Ocho miembro, Hugh Hare. autor principal del nuevo estudio.
Los pacientes también experimentaron menos dolor y menos atrofia muscular después de esta cirugía, conocida como interfaz mioneural agonista-antagonista (IAM). Hasta el momento, unos 60 pacientes en todo el mundo se han sometido a este tipo de cirugía, que también se puede realizar en personas con amputaciones de brazos.
Hyungeun Song, postdoctorado en el Media Lab del MIT, es el autor principal del artículo, quien Medicina de la naturaleza.
Retroalimentación sensorial
La mayoría de los movimientos de las extremidades están controlados por pares de músculos que se estiran y contraen alternativamente. Durante una amputación tradicional por debajo de la rodilla, se altera la interacción de estos músculos emparejados. Esto hace que sea muy difícil para el sistema nervioso comprender la posición del músculo y qué tan rápido se contrae, información sensorial que es importante para que el cerebro decida cómo mover la extremidad.
Las personas con este tipo de amputación pueden tener dificultades para controlar su prótesis porque no pueden percibir con precisión dónde se encuentra la extremidad en el espacio. En cambio, dependen de controladores robóticos integrados en la prótesis. Estos órganos también incluyen sensores que pueden detectar y ajustar pendientes y obstáculos.
Para intentar ayudar a las personas a lograr una marcha natural bajo pleno control del sistema nervioso, Herr y sus colegas comenzaron a desarrollar la cirugía del IAM hace varios años. En lugar de romper la interacción natural del músculo agonista-antagonista, conectan los dos extremos del músculo para que aún interactúen dinámicamente dentro del muñón. Esta cirugía se puede realizar durante la amputación inicial o se puede volver a unir el músculo después de la amputación inicial como parte de un procedimiento de revisión.
“Con el procedimiento de amputación de IAM, en la medida de lo posible, intentamos conectar anatómicamente los agonistas locales con los antagonistas locales para que después de la amputación, una persona pueda tener su miembro fantasma completo en un nivel anatómico de propiocepción y rango de movimiento. a lo largo de.” dice Heer.
En un estudio de 2021, el laboratorio de Herr descubrió que los pacientes sometidos a esta cirugía podían controlar con mayor precisión los músculos de sus miembros amputados y que estos músculos generaban impulsos eléctricos similares a los de sus miembros intactos.
Tras estos alentadores resultados, los investigadores se propusieron explorar si las señales eléctricas podrían generar comandos para la prótesis y al mismo tiempo proporcionar información al usuario sobre la posición de la extremidad en el espacio. La persona que lleva la prótesis puede utilizar esta retroalimentación propioceptiva para ajustar voluntariamente su marcha según sea necesario.
En el nuevo Medicina de la naturaleza Durante el estudio, el equipo del MIT descubrió que esta retroalimentación sensorial en realidad se traduce en una capacidad fluida y casi natural para caminar y sortear obstáculos.
“Gracias a la interfaz neuroprotésica AMI, pudimos aumentar esa señalización neuronal y preservarla tanto como pudimos. Fue capaz de restaurar la capacidad neuronal de una persona para adaptarse a diferentes velocidades al caminar, escaleras y pendientes. Pero puede controlar la totalidad camina de forma continua y directa, incluso cruzando obstáculos”, dice Song.
Un truco natural
Para el estudio, los investigadores compararon a siete personas que se sometieron a una cirugía de IAM con siete personas a las que se les realizó una amputación tradicional debajo de la rodilla. Todos los sujetos utilizaron el mismo tipo de extremidad biónica: una prótesis con un tobillo eléctrico y electrodos que podían detectar señales de electromiografía (EMG) desde el tibial anterior al músculo gastrocnemio. Estas señales se envían a un controlador robótico que ayuda a la prótesis a calcular cuánto doblar el tobillo, cuánto torque aplicar o cuánta potencia entregar.
Los investigadores probaron a los sujetos en varias condiciones diferentes: caminar por un sendero de 10 metros en terreno llano, caminar en una pendiente, bajar una rampa, subir y bajar escaleras y caminar sobre una superficie nivelada evitando obstáculos.
En todas estas tareas, las personas con una interfaz neuroprotésica para IAM pudieron caminar más rápido (aproximadamente al mismo ritmo que las personas sin amputación) y maniobrar alrededor de obstáculos con facilidad. También mostraron movimientos más naturales, como apuntar los dedos de la prótesis hacia arriba al subir escaleras o pasar por encima de un obstáculo, y pudieron coordinar mejor los movimientos de su prótesis y su extremidad intacta. También pudieron impulsarse del suelo con tanta fuerza como cualquiera sin sufrir cortes.
“Con la cohorte AMI, vimos surgir comportamientos biomiméticos naturales”, dice Herr. “El grupo que no tenía IAM podía caminar, pero la forma de andar no era natural y sus movimientos eran generalmente más lentos”.
Estos comportamientos instintivos ocurrieron a pesar de que la cantidad de retroalimentación sensorial proporcionada por el AMI fue inferior al 20% de la que normalmente se recibe en individuos no amputados.
“Uno de los hallazgos clave aquí es que un pequeño aumento en la información neuronal de su extremidad amputada puede restaurar la controlabilidad neuronal biónica crítica, hasta el punto en que puede controlar neuronalmente directamente el movimiento de las personas, permitiéndoles adaptarse a diferentes terrenos, y Evite los obstáculos”, dice Song.
“Este trabajo representa otro paso en nuestros esfuerzos por demostrar lo que es posible en términos de recuperación de la función en pacientes con lesiones graves en las extremidades”, afirma Matthew, cirujano y profesor asociado de la Facultad de Medicina de Harvard, que también es autor del artículo.
Permitir el control neuronal por parte de una persona que utiliza una extremidad es un paso hacia el objetivo del laboratorio de Herr de “reconstruir cuerpos humanos”, en lugar de depender de controladores y sensores robóticos más sofisticados que los que la gente ya tiene: herramientas que son poderosas pero que no sienten las del usuario. cuerpo.
“El problema de este enfoque a largo plazo es que el usuario nunca se sentirá encarnado con su prótesis. No considerará la prótesis como parte de su cuerpo, como parte de sí mismo”, afirma Herr. “El enfoque que estamos adoptando es intentar conectar de manera integral el cerebro humano con la electromecánica”.
La investigación fue financiada por el Centro de Biónica K. Lisa Yang del MIT, el Instituto Nacional de Trastornos Neurológicos y Accidentes Cerebrovasculares, una beca de investigación médica de la Fundación para la Educación en Investigación en Neurocirugía y el Instituto Nacional de Salud Infantil y Desarrollo Humano Eunice Kennedy Shriver.
