Membros protéticos de última geração podem ajudar pessoas com amputações a atingir uma marcha procedente, mas não dão ao usuário controle neural totalidade sobre o membro. Em vez disso, eles dependem de sensores e controladores robóticos que movem o membro usando algoritmos de marcha predefinidos.
Usando um novo tipo de mediação cirúrgica e interface neuroprotética, pesquisadores do MIT, em colaboração com colegas do Brigham and Women’s Hospital, mostraram que uma marcha procedente é provável usando uma perna protética totalmente acionada pelo próprio sistema nervoso do corpo. O procedimento de amputação cirúrgica reconecta músculos no membro residual, o que permite que os pacientes recebam feedback “proprioceptivo” sobre onde seu membro protético está no espaço.
Em um estudo com sete pacientes que passaram por essa cirurgia, a equipe do MIT descobriu que eles conseguiam marchar mais rápido, evitar obstáculos e subir escadas com muito mais naturalidade do que pessoas com amputação tradicional.
“Nascente é o primeiro estudo protético na história que mostra uma prótese de perna sob modulação neural completa, onde uma marcha biomimética emerge. Ninguém foi capaz de mostrar esse nível de controle cerebral que produz uma marcha procedente, onde o sistema nervoso humano está controlando o movimento, não um algoritmo de controle robótico”, diz Hugh Herr, professor de artes e ciências da mídia, codiretor do K. Lisa Yang Center for Bionics no MIT, membro associado do McGovern Institute for Brain Research do MIT e responsável sênior do novo estudo.
Os pacientes também sentiram menos dor e menos atrofia muscular depois essa cirurgia, que é conhecida porquê interface mioneural agonista-antagonista (AMI). Até agora, murado de 60 pacientes ao volta do mundo receberam esse tipo de cirurgia, que também pode ser feita para pessoas com amputações de braço.
Hyungeun Song, pós-doutorado no Media Lab do MIT, é o responsável principal do cláusula, que aparece hoje em Medicina Proveniente.
Feedback sensorial
A maioria dos movimentos dos membros é controlada por pares de músculos que se revezam para se esticar e se contrair. Durante uma amputação tradicional inferior do joelho, as interações desses músculos pareados são interrompidas. Isso torna muito difícil para o sistema nervoso sentir a posição de um músculo e a rapidez com que ele está se contraindo — informações sensoriais que são críticas para o cérebro resolver porquê movimentar o membro.
Pessoas com esse tipo de amputação podem ter problemas para controlar seu membro protético porque não conseguem sentir com precisão onde o membro está no espaço. Em vez disso, elas dependem de controladores robóticos embutidos no membro protético. Esses membros também incluem sensores que podem detectar e se ajustar a declives e obstáculos.
Para tentar ajudar as pessoas a atingir uma marcha procedente sob controle totalidade do sistema nervoso, Herr e seus colegas começaram a desenvolver a cirurgia AMI há vários anos. Em vez de trinchar as interações musculares agonistas-antagonistas naturais, eles conectam as duas extremidades dos músculos para que eles ainda se comuniquem dinamicamente entre si dentro do membro residual. Esta cirurgia pode ser feita durante uma amputação primária, ou os músculos podem ser reconectados depois a amputação inicial porquê segmento de um procedimento de revisão.
“Com o procedimento de amputação AMI, tentamos conectar agonistas nativos a antagonistas nativos de forma fisiológica, na maior extensão provável, para que, depois a amputação, a pessoa possa movimentar seu membro fantasma completo com níveis fisiológicos de propriocepção e amplitude de movimento”, diz Herr.
Em um estudo de 2021, o laboratório de Herr descobriu que os pacientes que passaram por essa cirurgia conseguiram controlar com mais precisão os músculos do membro amputado e que esses músculos produziram sinais elétricos semelhantes aos do membro inviolado.
Em seguida esses resultados encorajadores, os pesquisadores se propuseram a explorar se esses sinais elétricos poderiam gerar comandos para um membro protético e, ao mesmo tempo, dar ao usuário feedback sobre a posição do membro no espaço. A pessoa que usa o membro protético poderia logo usar esse feedback proprioceptivo para ajustar voluntariamente sua marcha conforme necessário.
No novo Medicina Proveniente estudo, a equipe do MIT descobriu que esse feedback sensorial de roupa se traduziu em uma habilidade suave e quase procedente de caminhar e contornar obstáculos.
“Por razão da interface neuroprostética AMI, fomos capazes de aumentar essa sinalização neural, preservando o supremo que podíamos. Isso foi capaz de restaurar a capacidade neural de uma pessoa de controlar contínua e diretamente a marcha completa, em diferentes velocidades de passeio, escadas, declives, até mesmo passando por obstáculos”, diz Song.
Um marchar procedente
Para leste estudo, os pesquisadores compararam sete pessoas que fizeram a cirurgia de IAM com sete que fizeram amputações tradicionais inferior do joelho. Todos os indivíduos usaram o mesmo tipo de membro biônico: uma prótese com um tornozelo energizado, muito porquê eletrodos que podem detectar sinais de eletromiografia (EMG) dos músculos tibial anterior e gastrocnêmio. Esses sinais são alimentados em um controlador robótico que ajuda a prótese a calcular o quanto inflectir o tornozelo, quanto torque infligir ou quanta potência fornecer.
Os pesquisadores testaram os indivíduos em diversas situações diferentes: passeio em terreno projecto por um caminho de 10 metros, subida de uma ladeira, descida de uma rampa, subida e descida de escadas e passeio em superfície plana evitando obstáculos.
Em todas essas tarefas, as pessoas com a interface neuroprotética AMI conseguiram marchar mais rápido — quase na mesma velocidade que as pessoas sem amputações — e contornar obstáculos com mais facilidade. Elas também mostraram movimentos mais naturais, porquê mostrar os dedos da prótese para cima ao subir escadas ou passar por cima de um travanca, e conseguiram coordenar melhor os movimentos do membro protético e do membro inviolado. Elas também conseguiram se impulsionar do solo com a mesma quantidade de força que alguém sem amputação.
“Com a coorte AMI, vimos comportamentos biomiméticos naturais emergirem”, diz Herr. “A coorte que não tinha AMI conseguia marchar, mas os movimentos protéticos não eram naturais, e seus movimentos eram geralmente mais lentos.”
Esses comportamentos naturais surgiram mesmo que a quantidade de feedback sensorial fornecido pelo AMI fosse subordinado a 20% do que normalmente seria recebido em pessoas sem amputação.
“Uma das principais descobertas cá é que um pequeno aumento no feedback neural do seu membro amputado pode restaurar uma controlabilidade neural biônica significativa, a um ponto em que você permite que as pessoas controlem neuralmente a velocidade da passeio, se adaptem a diferentes terrenos e evitem obstáculos”, diz Song.
“Nascente trabalho representa mais um passo em nossa mostra do que é provável em termos de restauração de função em pacientes que sofrem de lesão grave nos membros. É por meio de esforços colaborativos porquê leste que somos capazes de fazer progresso transformacional no atendimento ao paciente”, diz Matthew Carty, cirurgião do Brigham and Women’s Hospital e professor associado da Harvard Medical School, que também é responsável do cláusula.
Permitir o controle neural pela pessoa que usa o membro é um passo em direção ao objetivo do laboratório de Herr de “reconstruir corpos humanos”, em vez de fazer com que as pessoas dependam de controladores e sensores robóticos cada vez mais sofisticados — ferramentas que são poderosas, mas não parecem fazer segmento do corpo do usuário.
“O problema com essa abordagem de longo prazo é que o usuário nunca se sentiria incorporado com sua prótese. Ele nunca veria a prótese porquê segmento de seu corpo, segmento de si mesmo”, diz Herr. “A abordagem que estamos adotando é tentar conectar de forma abrangente o cérebro do ser humano à eletromecânica.”
A pesquisa foi financiada pelo Meio de Biônica K. Lisa Yang do MIT e pelo Instituto Vernáculo de Saúde Infantil e Desenvolvimento Humano Eunice Kennedy Shriver.