文|DeepTech深科技    攝影|DeepTech深科技

正常人即使閉上眼睛,也可以準確地感知肢體的位置、速度和扭矩。這種感覺被稱為本體感受,可以讓人們精確地控制自己的身體動作。

儘管近年來人體假肢有了顯著的改進,研究人員仍然無法讓假肢也有這種本體感受,這也限制了患者準確控制假肢運動的能力。

日前,麻省理工學院媒體實驗室極限仿生學中心(Center for Extreme Bionics at the MIT Media Lab)的研究人員已經成功開發出一種新的神經介面通訊模式,能夠將動作指令從中樞神經系統發送到機器假肢,並將假肢關節運動的本體感受回饋回中樞神經系統。

這種被稱為主動肌-拮抗肌神經介面(AMI)的新模式,通過一種新的假肢手術實現,並在假肢中保留了動態肌肉回饋系統。麻省理工學院對AMI進行了廣泛的臨床試驗,並第一次成功為布萊根婦女醫院(Brigham and Women’s Faulkner Hospital)的一名患者實施了手術。

發表在5月31日「Science Translational Medicine」上的一篇論文中,研究人員描述了膝關節截肢患者首次實施AMI手術的例證。根據麻省理工學院媒體實驗室媒體藝術與科學教授、論文作者兼專案總監Hugh Herr的說法,這篇論文首次闡述了假肢有了的關節位置、速度和扭矩等本體感受資訊,而且這些資訊能從假肢傳回中樞神經系統。

 

Herr說,「我們的目標是實現神經系統與神經系統周圍的肌肉以及仿生假肢之間的回饋迴圈。」為了做到這一點,研究人員使用了與人體相同的生物感測器來產生本體感受。

AMI由主動肌和拮抗肌,兩個相對的肌肉肌腱組成。通過外科手術將其相互連接,當有意識控制或電子啟動時,一個肌肉收縮另一肌肉就會拉伸,反之亦然。

這種耦合運動能讓肌腱中的神經生物感測器將電信號傳輸至中樞神經系統,傳達肌肉長度、速度和力量資訊,然後這些資訊被大腦翻譯為假肢的本體感受。

Herr說,肌腱的本體感受就是這樣在人體關節中發揮作用的。「因為肌肉有天然的神經,當主動肌和拮抗肌作出動作時,資訊通過神經傳遞到大腦,使人感覺到這些肢體的動作,還有關節的位置、速度和負荷」。通過將AMI與電極電連接,研究人員可以檢測肌肉中的電脈衝,或者向肌肉施加電脈衝使其收縮。

 

Herr說,「當患者想要移動仿生腳踝時,信號映射到仿生腳踝的 AMI,實現前後移動,然後信號通過神經系統回饋傳遞到大腦,使截肢者能夠實際感覺到仿生腳踝正在移動的角度和範圍」。

論文第一作者Tyler Clites認為,解碼神經系統內本體感受的電子信號是非常困難的。

Clites說,「通過這種方法,我們不需要創建電子信號,而讓生物感測器發出電子信號,這些感測器能將機械拉伸轉化為電信號,大腦就可以將其翻譯為位置、速度和力量的感覺。」

來自波士頓布萊根婦女醫院的一名患者,成功接受了第一例AMI手術。手術由論文的作者之一、外科整形醫生Matthew Carty和麻省理工學院的一名科學家主刀。

在這項手術中,醫生在膝下截肢患者的假肢中加入了兩個AMI,其中一個控制假肢踝關節,另一個控制距下關節。

Carty說,「為了讓這種新型假肢發揮作用,我們需要將該介面程式與假肢結合起來,才能實現新假肢的附加功能。協作是至關重要的,因為該介面程式的設計決定了機器假肢的設計,反之亦然。」

為此,麻省理工學院開發了一個先進的假肢,並在手術中,將其通過AMI肌肉上的電極與患者的周圍神經系統電連接。

手術後,研究人員比較了AMI患者與經歷了傳統膝下假肢手術的四名患者的運動。

他們發現AMI患者對假肢的運動控制更穩定,並且比傳統假肢患者的運動更有效。他們還發現,AMI患者表現出了很快的自然反射行為,例如在走下樓梯時將腳伸向下一級台階。

 

這些行為對於正常人類是必不可少的,而所有經歷傳統假肢手術的人群不可能做的到。

更重要的是,傳統假肢患者感覺與假肢是脫離的,但AMI患者會感覺到仿生腳踝和腳已成為他們自己身體的一部分。

Clites說,「這非常有意義,這位患者的大腦和脊髓已經適應了假肢,它們就像是原生的一樣,使假肢變得活躍。本體感受對於大腦適應假肢非常重要。」

佛羅里達大學工程創新教授 Daniel Ferris 說,對於一個截肢的人來說,讓假肢獲得身體感覺是很困難的。

Ferris表示「這是開創性的研究。患者對假肢有更好控制和回饋能增強他們的主觀感受。我希望創傷性假肢患者能接受這一手術,並為他們的假肢加入這一介面,這可以為患者提供更高品質的生活。」

之後,研究人員又對其他9名膝關節以下假肢患者實施了AMI手術,並計畫將這一技術移植到到膝關節以上、肘關節以下和肘關節以上假肢患者的身上。

Herr說:「以前,人類通過工具來使用科技。現在已經到了新的人機交互時代,我們設計的東西能真正成為我們身體的一部分。」

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