Et robotben som kan kontrolleres fullt ut av hjernen og ryggmargen, har gjort det mulig for syv personer som har mistet et underben, til å gå omtrent like fort som personer uten amputasjoner.

Det bioniske beinet bruker et datamaskingrensesnitt som forsterker nervesignaler fra musklene i den gjenværende delen av benet, slik at brukeren kan bevege protesen ved hjelp av sine egne tanker og naturlige reflekser.

I en 14-personers klinisk studie kunne deltakere med dette grensesnittet gå 41 % raskere enn de med tradisjonelle robotbein. De hadde også bedre balanse og evne til å endre hastighet, gå i trapper og overvinne hindringer. Resultatene ble offentliggjort i dagNaturmedisinpublisert 1.

"Dette er den første studien som viser naturlige gangmønstre med full nevral modulering, der personens hjerne har 100 % kontroll over den bioniske protesen, ikke en robotalgoritme," sa studiens medforfatter. Hugh Lord, en biofysiker ved Massachusetts Institute of Technology i Cambridge, på en pressekonferanse som kunngjorde resultatene.

"Selv om benet er laget av titan, silikon og forskjellige elektromekaniske komponenter, føles og beveger benet seg naturlig, uten bevisst tanke," la han til.

Herr fikk amputert begge beina etter at han ble strandet på isen på Mount Washington i New Hampshire under en snøstorm i 1982. Han sier at han vil vurdere grensesnittenheter for lemmene hans i fremtiden.

Muskel møter maskin

De fleste eksisterende bioniske kunstige lemmer er avhengige av forhåndsinnstilte algoritmer for å kontrollere bevegelser og kan automatisk bytte mellom forhåndsdefinerte moduser for forskjellige gangforhold. Avanserte modeller har hjulpet personer med amputerte å gå, løpe og gå i trapper mer flytende, men roboten beholder kontrollen over beinbevegelsen, ikke brukeren, og enheten føles ikke som en del av kroppen.

Fast bestemt på å endre dette utviklet Herr og kollegene hans et grensesnitt som kontrollerer robotbenet ved hjelp av signaler fra nervene og musklene som blir igjen etter amputasjon.

Deres kliniske studie inkluderte 14 deltakere med amputasjoner under kneet. Før de brukte robotenheten, gjennomgikk syv av dem kirurgi for å koble sammen muskelpar i de resterende delene av bena.

Denne kirurgiske teknikken, som skaper en agonist-antagonist myoneural interface (AMI), tar sikte på å gjenskape naturlige muskelbevegelser slik at sammentrekningen av en muskel strekker en annen. Dette bidrar til å lindre smerte, opprettholde muskelmasse og forbedre komforten med det bioniske beinet 2.

Selve det bioniske beinet inkluderer en ankelprotese utstyrt med sensorer og elektroder festet til overflaten av huden. Disse fanger opp elektriske signaler generert av musklene på amputasjonsstedet og sender dem til en liten datamaskin for dekoding. Benet veier 2,75 kilo, tilsvarende gjennomsnittsvekten til et naturlig underben.

Raske forbedringer

For å teste systemet øvde deltakerne med sine nye bioniske ben i totalt seks timer hver. Forskerne sammenlignet deretter deres prestasjoner på ulike oppgaver med resultatene til de syv andre deltakerne som hadde mottatt konvensjonell kirurgi og proteser.

AMI økte frekvensen av muskelsignaler til et gjennomsnitt på 10,5 pulser per sekund, sammenlignet med omtrent 0,7 pulser per sekund i kontrollgruppen. Selv om dette bare representerer 18 % av muskelimpulsene i biologisk intakte muskler – omtrent 60 impulser per sekund – klarte deltakerne med AMI å kontrollere protesene sine fullt ut og gikk 41 % raskere enn de i kontrollgruppen. Topphastighetene deres tilsvarer de til personer uten amputasjoner når de går på en jevn sti langs en 10 meter lang korridor.

"Jeg fant det faktisk bemerkelsesverdig at de kunne gjøre det så bra med så lite læring," sier Levi Hargrove, en nevroforsker ved Northwestern University i Chicago, Illinois. "De ville se enda mer fordel med en lengre treningsperiode med å bruke enheten."

Forskere testet også hvor godt deltakerne kunne håndtere ulike situasjoner, inkludert å gå på et gulv med 5-graders helling, gå i trapper og overvinne hindringer. I alle scenarier viste AMI-brukere bedre balanse og raskere ytelse enn personer i kontrollgruppen.

"Det gir brukeren en så høy grad av fleksibilitet som er mye nærmere det biologiske beinet," sier Tommaso Lenzi, en biomedisinsk ingeniør ved University of Utah i Salt Lake City.

Naturopplevelse

Teknologien gir nytt håp for personer med amputasjoner som ønsker å gjenvinne naturlig gange. "Folk som har en amputasjon ønsker å opprettholde kontroll over lemmene. De vil føle at lemmen er en del av kroppen deres," sier Lenzi. "Denne typen nevrale grensesnitt er nødvendig for å oppnå dette."

Forbedringer av benets design kan redusere vekten og optimalisere overflateelektroder, som er følsomme for fuktighet og svette og kanskje ikke egner seg for daglig bruk, sier Lenzi. Fremtidige studier vil være nødvendig for å teste om enheten kan håndtere mer krevende aktiviteter som sprint og hopp.

Herr sier at teamet hans allerede ser på måter å erstatte overflateelektrodene med små implanterte magnetiske kuler som nøyaktig kan spore muskelbevegelser.

Denne studien "gir grunnlaget vi trenger for deretter å oversette dette til klinisk levedyktige teknologier og løsninger for alle med en amputasjon," sier Lenzi.