ENNEOLEMATU: patsiendile paigaldati esimene biooniline protees, mis saadab signaale ka kehasse tagasi

Uus kirurgiline tehnika võimaldab amputeeritutel tavapärasemalt liikuda. Foto: Cameron Taylor/MIT Media Lab/Biomechatronics Group

Uus allpool-põlve amputatsioonide kirurgiline tehnika säilitab inimese võime saada sensoorset tagasisidet järelejäänud lihastelt. Amputeeritava enda närvisüsteemist juhitav proteesjalg võimaldab neil palju loomulikumalt kõndida, näitavad uued uuringud.

Marveli tegelane «Bucky» Barnes, Mad Maxi filmi «Fury Road» Furiosa ja Gazelle Kingsmani frantsiisist. Mis ühendab neid väljamõeldud filmikangelasi? Bioonilised jäsemed, mida nad saavad ülitäpselt kasutada. Kahjuks pole reaalne elu veel jõudnud Hollywoodi tasemel proteesideni.

Praegused jalaproteesid ei paku närvisüsteemile tagasisidet nagu terve jäse, vaid tuginevad robotanduritele ja kontrolleritele, mis liiguvad vastavalt eelnevalt määratletud kõnnaku algoritmile. Kuid MIT-i üheskoos Brighami ja Naiste Haiglaga tehtud uus uuring on viinud inimkonna sammu võrra lähemale sellisele proteesi juhtimisele, mida on seni nähtud vaid filmides.

MIT Media Labi meediakunstide ja teaduste professor Hugh Herr, kes on ka MIT K. Lisa Yangi Bioonika Keskuse kaasdirektor ja MIT McGoverni Ajuuuringute Instituudi assotsieerunud liige, rõhutab, et tegemist on ajaloo esimese proteesi uuringuga, mis näitab jalaproteesi täieliku närvimodulatsiooniga, kus tekib biomimeetiline kõnnak.

Kõndimine on keeruline neuromehaaniline protsess, mis hõlmab närvide ja lihaste vahelist koostööd. Närvide poole pealt kannavad aferentsed neuronid sensoorse teabe nahalt (või teistelt elunditelt) mööda seljaaju ajju, kus assotsiatiivsed neuronid otsustavad, kuidas reageerida. Seejärel saadavad eferentsed neuronid mööda seljaaju teabe ajust lihasteni, öeldes neile, millist liikumist sooritada.

Propriotseptsioon ehk keha võime tajuda liikumist, tegevust ja asukohta, annab teadlikkuse kehast ruumis. Tervetel jäsemetel hõlbustavad propriotseptsiooni bioloogilised andurid lihaspaari vastupidises tegevuses, vaheldumisi kokkutõmbudes (agonist) ja venides (antagonist). Traditsiooniliste allpool-põlve amputatsioonide korral lõigatakse need lihased läbi, häirides propriotseptsiooni ja muutes inimestele raskeks oma proteesjäseme juhtimise, kuna nad ei suuda täpselt tajuda, kus jäse ruumis asub.

Mõned aastad tagasi alustasid Herr ja tema kolleegid uue kirurgilise protseduuri, mida nimetatakse agonisti-antagonisti müoneuraalseks liideseks (agonist-antagonist myoneural interface ehk AMI), väljatöötamist. Selle eesmärk on jäljendada amputeeritava jäseme propriotseptsiooni ja taastada amputeeritutele normaalne kõnnak. Kirurgid ühendavad agonisti ja antagonisti lihaste otsad nii, et nad saavad omavahel suhelda, selle asemel, et need loomulikud paarid läbi lõigata.

2021. aasta uuring näitas, et allpool-põlve amputatsiooniga inimestel pakkus uus kirurgiline tehnika amputeeritud jäseme täpsemat juhtimist ja järelejäänud lihased tekitasid elektrilisi signaale, mis olid väga sarnased tervete jäsemete signaalidega. Ootamatult teatasid AMI patsiendid ka palju väiksemat valu ja suuremat liikumisvabadust nende amputeeritud jäsemetes. Käesolev uuring uuris, kas need elektrilised signaalid suudavad genereerida käske proteesjäsemele ja pakkuda propriotseptiivset tagasisidet, mis võimaldaks kasutajal kohandada oma kõnnakut vastavalt vajadusele.

Seitset AMI operatsiooni läbinud inimest võrreldi seitsmega, kellel oli tehtud traditsiooniline allpool-põlve amputatsioon. Kõigile anti sama biooniline jäse – protees, millel oli mootoriga pahkluu ja nahale kinnitatud elektroodid, mis tuvastavad elektromüograafia (EMG) signaale säärelihasest (tibialis anterior), mis kulgeb mööda jala väliskülge, ja sääremarjalihast (gastrocnemius), mis AMI patsientidel oli kirurgiliselt ühendatud. EMG signaalid edastati robotkontrollerile, mis aitas proteesil arvutada, kui palju pahkluud painutada, kui palju pöördemomenti rakendada või kui palju energiat kasutada.

Uuringus osalejaid testiti erinevates kõndimistsenaariumides: 10-meetrisel tasasel rajal, ülesmäge, allamäge, treppidel ja tasasel pinnal, vältides takistusi. Need, kellel oli AMI neuroprosteetiline liides, suutsid paremini liikuda, kõndides umbes sama kiirusega kui inimesed ilma amputatsioonita ja takistusi hõlpsamini vältides. Nende liikumine oli loomulikum ja nad suutsid oma proteesi ja tervete jäsemete liikumist paremini koordineerida. Nad suutsid ka end maapinnalt lahti tõugata sama jõuga kui ilma amputatsioonita inimesed.

Tänu AMI neuroprosteetilisele liidesele suutsid teadlased tugevdada närvisignaale, säilitades nii palju kui võimalik. See suutis taastada inimese närvivõimekuse pidevalt ja otseselt kontrollida täiskõnnakut, erinevate kõndimiskiiruste, treppide, kallakute ja isegi takistuste ületamise korral.

Neid tulemusi saadi isegi siis, kui AMI pakutav sensoorne tagasiside oli alla 20% sellest, mida saavad inimesed ilma amputatsioonita. Väike närvisüsteemi tagasiside kasv amputeeritud jäsemelt suudab taastada olulise bioonilise närvikontrolli, võimaldades inimestel otseselt juhtida kõndimiskiirust, kohaneda erinevate maastikega ja vältida takistusi.

Herr ja tema meeskond on keskendunud inimese ja tema proteesi paremaks integreerimisele, mitte ainult üha tehnoloogiliselt arenenumate biooniliste jäsemete loomisele. Teadlaste hinnangul pole kasutajad suutelised oma proteesi osana endast ja oma kehast tajuma, kui proteesi ei suudeta närvisüsteemiga täielikult siduda.

Üle maailma on umbes 60 patsienti läbinud AMI operatsiooni, mida saab kasutada ka käeamputatsioonidega inimeste puhul.

Uuring avaldati ajakirjas Nature Medicine.

Allikad: MIT ja New Atlas