Cuvântul „bionic” evocă viziuni științifico-fantastice ale oamenilor îmbunătățiți la niveluri supraumane. Este adevărat că progresele inginerești, cum ar fi motoare și baterii mai bune înseamnă că sistemele mecanice și electronice necesare nu mai reprezintă o barieră pentru protezele avansate. Dar domeniul s-a străduit să integreze aceste mașini puternice cu corpul uman.
Acest lucru începe să se schimbe. Un studiu recent a testat o nouă tehnică de integrare. Ea implică reconstrucția chirurgicală a perechilor de mușchi care dau beneficiarilor o idee despre poziția și mișcarea unui membru bionic. Semnalele de la acești mușchi controlează articulațiile robotizate. Astfel încât proteza este controlată în totalitate de creierul utilizatorului. Sistemul a permis persoanelor cu amputații sub genunchi să meargă mai natural și mai bine pe pante, scări și obstacole, au raportat cercetătorii în revista Nature Medicine din iulie.
Limitarea biologiei
Inginerii au privit de obicei biologia ca pe o limitare fixă în jurul căreia trebuie proiectat, spune bioinginerul Tyler Clites, care a contribuit la dezvoltarea tehnicii în urmă cu câțiva ani. „Dar dacă privim corpul ca parte a sistemului care trebuie proiectat, în paralel cu mașina, cele două vor putea interacționa mai bine”.
Acest punct de vedere este la originea unui val de tehnici care reproiectează corpul pentru a se integra mai bine cu mașina. Clites, numește astfel de tehnici „anatomie”, pentru a le deosebi de bionica tradițională. „Problema pe care o abordam nu era o problemă de inginerie”, spune el. „Modul în care corpul fusese manipulat în timpul amputării nu îl lăsa în poziția de a putea controla membrele pe care le cream”.
Într-o abordare anatomică, oasele sunt exploatate pentru a oferi ancore stabile. Nervii sunt redirecționați pentru a crea semnale de control pentru membrele robotice sau pentru a transmite feedback senzorial. Mușchii sunt cooptați ca amplificatori biologici sau grefați pentru a oferi mai multe surse de semnal. Toate aceste tehnici îmbunătățesc conexiunea și comunicarea dintre un membru robotic și sistemul nervos uman. Dar sporesc și capacitatea protezelor bionice.
Dispozitivele bazate pe anatomie au ieșit greu din laboratoare. Și au ajuns în lumea comercială și clinică. Dar unii spun că acest domeniu ne apropie de acea viziune științifico-fantastică a unor membre bionice perfect integrate, controlate de creier. Mai ales că mai multe progrese se află după colț.
Reconstrucția mușchilor
Propriocepția, conștientizarea propriului corp în spațiu, este un simț dificil de restabilit. Dar este important pentru mișcare, în special pentru mers. Mușchii trimit creierului semnale cu privire la locul în care se află corpul nostru, la modul în care se mișcă și la forțele pe care le întâlnește. Aceste semnale sunt generate în principal de mușchii cuplați, numiți perechi agonist-antagonist, în care unul se contractă în timp ce celălalt se întinde.
În cazul unei amputații tradiționale, acest feedback important este eliminat. Dar tehnica raportată în studiul din iulie, cunoscută sub numele de interfață mioneurală agonist-antagonist sau AMI, reconstruiește chirurgical aceste perechi de tip împinge-trage și utilizează semnalele generate de acestea pentru a controla articulațiile protetice. Procedura permite beneficiarului să își „simtă” membrul protezat.
„Atunci când proteza se mișcă, persoana simte de fapt acea mișcare ca o senzație proprioceptivă naturală”, spune Hugh Herr, bionicist la MIT, care a dezvoltat tehnica alături de Clites și de Matthew Carty, chirurgul echipei.
Studiul recent a făcut parte dintr-un studiu clinic pe care Herr și colegii săi îl desfășoară, care a testat tehnica la 14 persoane cu amputație sub genunchi. Șapte participanți au fost supuși procedurii AMI, în timp ce ceilalți aveau amputații standard. Beneficiarii sistemului bazat pe AMI și-au crescut viteza de mers cu aproximativ 40%, de la 1,26 metri pe secundă la 1,78 metri pe secundă, au constatat cercetătorii, o rată comparabilă cu cea a persoanelor fără amputație.
Extinderea oaselor
Cele mai frecvente plângeri ale utilizatorilor de proteze implică durere și disconfort. O sursă majoră de disconfort este punctul de prindere.
„Multe dintre problemele legate de utilizarea protezelor sunt legate de priză”, spune bioinginerul Cindy Chestek de la Universitatea Michigan din Ann Arbor. Carnea nu este potrivită pentru a transfera sarcini către partea corpului construită pentru această sarcină, oasele. Tensiunea rezultată poate cauza deteriorarea țesuturilor. Și, invariabil, disconfort, care îi determină uneori pe utilizatori să renunțe la dispozitiv.
O tehnică numită osteointegrare exploatează faptul că anumite metale se leagă de os. Un bolț de titan introdus în schelet ancorează proteza la locul e. Aceasta oferă mai multă rezistență, stabilitate și confort. „Există un motiv pentru care avem schelete”, spune Chestek.
Proteze de picior. Sursa foto: Wikipedia
Prima procedură
Procedura a fost efectuată pentru prima dată în 1990. Dar nu a devenit larg acceptată și disponibilă clinic decât în ultimul deceniu. Un sistem de implant, denumit OPRA, a primit aprobarea din partea Administrației americane pentru alimente și medicamente în 2020.
Principalul dezavantaj este că șurubul de titan trebuie să treacă prin piele, creând o gaură permanentă care prezintă riscuri de infecție. „În afară de riscul de infecție, osteointegrarea este mai bună din toate punctele de vedere”, spune Chestek.
Redirecționarea nervilor
Bionicii au căutat mult timp să exploateze nervii corpului pentru a crea proteze care să comunice cu creierul. Dar primele eforturi au fost frustrante, în principal pentru că semnalele transmise de nervi sunt foarte slabe.
„Oamenii au încercat timp de zeci de ani să obțină semnale semnificative din introducerea unui fir în interiorul unui nerv”, spune Chestek. „Până în prezent, acest lucru este aproape imposibil în afara unui mediu de laborator controlat.”
Protezele bionice moderne
În schimb, protezele bionice moderne comunică mai ales cu mușchii. Atunci când sunt activați de un nerv, mușchii emit semnale electrice mult mai mari, care pot fi captate de electrozii de pe piele, care controlează apoi membrul protetic.
Dar nervii care au acționat anterior părți ale unui membru lipsă, și care ar putea acționa la fel de eficient un membru artificial, nu se termină de obicei în mușchi. Ei nu ajung nicăieri, ceea ce creează neurome, bulbi la capetele nervilor ale căror „scântei” electrice provoacă durere.
O procedură numită reinervare musculară țintită, sau TMR, rezolvă această problemă. Un chirurg curăță mușchii de nervii lor nativi și redirecționează nervii secționați către acest teren proaspăt curățat. În timp, nervii redirecționați cresc în mușchi, care acționează ca amplificatori, creând surse ale semnalelor de control necesare. „Transformi o problemă de înregistrare nervoasă într-o problemă de înregistrare musculară”, spune Chestek. „Înregistrarea musculară este ușoară”. Procedura tratează, de asemenea, durerea neuromei, un scop pentru care este adesea efectuată.
Care este problema
Un dezavantaj este că TMR canibalizează mușchii existenți, limitând numărul de semnale care pot fi create. „Rămâi fără proprietăți imobiliare destul de repede”, spune Chestek. Acest lucru este deosebit de important pentru amputațiile deasupra genunchiului sau cotului, unde există mai puțini mușchi rămași și mai multe articulații protetice de controlat.
O nouă tehnică, cunoscută sub numele de interfață nervoasă periferică regenerativă sau RPNI, introduce chirurgical mici grefe musculare prelevate din altă parte și redirecționează nervii către acestea. Chirurgii pot apoi diseca aceste fascicule nervoase în fibrele lor constitutive pentru a valorifica țintele nou grefate, permițând cercetătorilor să creeze atâtea semnale câte au nevoie, spune Chestek.
Totuși, dimensiunea mică a grefelor musculare face dificilă captarea semnalelor de la acestea cu ajutorul electrozilor de suprafață. „Nu puteți înregistra semnale electrice de la o bucată de mușchi de trei centimetri prin piele foarte ușor”, spune Chestek. „Trebuie să folosești electrozi implantați”. Acest lucru este mai invaziv, iar implanturile se confruntă cu obstacole de reglementare. Dar electrozii implantați produc semnale de calitate superioară. Ei trebuie doar să fie accesați cumva, deoarece trecerea firelor prin piele nu este viabilă în afara studiilor de laborator.
Unii cercetători lucrează la sisteme fără fir. Dar o altă soluție este combinarea RPNI cu osteointegrarea. În această configurație, firele dintre electrozii implantați și proteză trec pur și simplu prin șurubul de titan. Un studiu publicat anul trecut a descris un braț bionic deasupra cotului folosind această abordare care a permis beneficiarului să controleze fiecare deget al mâinii sale robotice, informează sciencenews.org