Что общего у Баки Барнса, Фуриосы и Газели из фильма Кингсман? – Бионические протезы конечностей с невероятным уровнем контроля. Увы, реальная жизнь порядком отстаёт от футуристического изображения протезов в фантастических киновселенных. Однако инновационная хирургическая техника AMI, разработанная учёными из МТИ, позволяет пациентам с ампутацией ниже колена более тонко контролировать бионические протезы, максимально сохраняя чувствительность мышц и их способность получать обратную сенсорную связь для более уверенного ощущения конечности и формирования природной походки.

Современные бионические протезы не способны взаимодействовать с нервной системой человека напрямую. Их работоспособность зависит от сложного комплекса сенсоров и контроллеров, которые регулируют движения искусственной конечности в соответствии с заданным алгоритмом. Совместное исследование учёных из Массачусетского технического института и Клинической больницы при Гарвардской медицинской школе на шаг приблизило человечество к тому уровню управляемости протезов, который мы видим в фантастических фильмах. По словам профессора Хью Герра, это первый в истории медицины проект, в рамках которого его коллегам удалось реализовать полную нейронную модуляцию протеза для формирования биомиметической походки.

Ходьба – это сложный нейромеханический процесс, возможный благодаря отлаженному природой взаимодействию между мышцами и нервами. Афферентные нейроны несут сенсорную информацию от кожи к спинному и головному мозгу, где ассоциативные нейроны «решают», как на неё отреагировать. Затем афферентные нейроны возвращают информацию о принятом «решении» мышцам, давая им команду к действию. В этом процессе важную роль играет и проприцепция – так называемое «мышечное чувство», способность ощущения положения частей тела относительно друг друга и в пространстве. При сохранных конечностях проприцепция реализуется за счёт биологических сенсоров в парах мышц, действующих противоположно друг другу – поочерёдно сокращаясь и расслабляясь. В случае ампутации ниже колена эти мышцы работают некорректно, вследствие чего у человека нарушается ощущение конечности, что существенно усложняет управление протезом.

Несколько лет назад профессор Герр и его коллеги разработали новую хирургическую процедуру, известную как мионевральный интерфейс агонист-антагонист (agonist-antagonist myoneural interface или AMI). Она позволяет воспроизвести проприцепцию в конечности с ампутацией и восстановить естественную походку. Это операция по ампутации конечности, в процессе которой медики стараются максимально физиологично совместить природные мышцы агонисты и антагонисты, чтобы после операции пациент сохранил способность чувствовать и управлять фантомной конечностью с физиологичным уровнем проприцепции. В 2021 году исследование доказало, что люди с ампутацией ниже колена, произведённой по методу AMI, действительно сохраняют более высокий уровень контроля, а оставшиеся мышцы производят электрические сигналы, максимально близкие к сигналам мышц в нетронутой конечности. Ко всеобщему удивлению участники исследования имели не только более высокую подвижность культи, но также гораздо меньше фантомных болей.

В рамках нового исследования Хью и его коллеги задались вопросом, достаточно ли силы генерируемых мышцами электрических сигналов для формирования команд, которые могли бы считать бионические протезы. Кроме того, учёные рассмотрели возможность формирования полноценного проприцептивного отклика, с помощью которого пациент мог бы на ходу адаптировать свою походку. Участниками эксперимента стали 7 человек с ампутацией ниже колена, проведённой по методике AMI, и 7 человек с культёй, сформированной по традиционной методике. Всем пациентам предоставили идентичные бионические протезы с микропроцессорным управлением голенью и набором электродов, которые считывают электрические сигналы с передней большеберцовой мышцы и икроножной мышцы. К слову, у пациентов с AMI эти мышцы были соединены в ходе операции.

 Электромиографические сигналы поступали на контроллер, позволяя протезу рассчитать параметры движения роботизированной голени. В рамках тестов добровольцы воспроизводили различные сценарии их повседневной жизни, преодолевая отрезки ровной дороги и неровности, склоны и пандусы, ступеньки и разнообразные препятствия. По итогам испытаний учёные отметили, что пациентам с AMI все упражнения давались значительно лучше: их походка была более естественной, им было проще координировать движения здоровой конечности и протеза. По мнению профессора Герра, целью исследователей во всём мире должна стать оптимизация нервномышечной интеграции протезов, а не разработка более сложных и технологичных устройств. Такой подход поможет пациентам ощущать протезы как часть собственного тела, а не посторонний предмет. В настоящий момент во всём мире насчитывается около 60 пациентов с ампутациями, выполненными по методу AMI. Исследователи подчёркивают, что такой тип операции подходит не только для нижних, но и для верхних конечностей, для полноценной функции которых также необходима проприцепция.