《自然·医学》:脑控假肢,终于实现了!MIT团队首次证实,神经假肢接口可以让截肢者如常人一样自然行走丨科学大发现

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1.美国麻省理工学院(MIT)研究团队在《自然·医学》上发表了一项突破性研究成果,开发了一种新的神经假肢接口,帮助截肢者自主控制仿生假肢。

2.该团队基于2015年发明的激动肌-拮抗肌神经肌肉接口(AMI)术式,通过柔性电极捕获肌电信号,实现截肢者的大脑无意识地控制假肢。

3.在一项临床试验中,7名失去一条小腿的患者通过AMI技术成功实现了自然步态模式,行走速度提高了41%。

4.除此之外,AMI截肢患者在上下坡、爬楼梯和跨越障碍等方面表现也接近正常人。

5.目前,全球范围内已有大约60名患者接受了AMI手术,期待未来该技术能造福更多患者。

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科幻片里的人机交互场景,又往现实迈进了一大步。


今天,由美国麻省理工学院(MIT)传奇教授Hugh M. Herr领衔的研究团队,在顶级期刊《自然·医学》上发表一项突破性研究成果[1]。


Herr团队基于他们在九年前开发的手术方式(将腿部残余的激动肌和拮抗肌连接起来,进而增强腿部残余肌肉发出的神经信号),开发了一种新的神经假肢接口,通过柔性电极捕获肌电信号(EMG),帮助截肢者自主控制仿生假肢


基于一项临床试验,Herr团队发现,在这项新技术的帮助下,7名失去一条小腿的患者完全可以通过大脑很自然、甚至无意识地控制机械假肢。更重要的是,这些患者不仅可以像正常人一样快速行走,而且在上下坡、爬楼梯和跨越障碍等方面,几乎也与常人无异。


据了解,这也是科学家首次让截肢者通过完全的神经调控达到自然步态模式。


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▲ 论文首页截图


Hugh M. Herr原本是一名杰出的登山运动员[2]。


不幸的是,他17岁那年,在一次登山事故中,他的两条小腿都被冻伤,最终不得不截掉两条小腿。为了重新登山,Herr开始自己设计并制作假肢,在这个过程中,他突然意识到科技具有让他康复的力量,于是他重返校园[2]。


Herr先后在MIT和哈佛大学获得机械工程硕士学位和生物物理学博士学位,并最终重返MIT,开启了仿生假肢的研究工作。在研究的过程中,Herr注意到现有的仿生假肢主要依靠内置的预设算法来驱动。虽然这些仿生假肢可以帮助患者行走、跑步和爬楼梯,但控制腿部运动的仍然是机器本身,而不是使用者,因此这种装置总会让患者感到不自然。


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▲ Hugh M. Herr(图片来源:参考文献[2])


为了让截肢者能用大脑无意识地控制假肢,Herr团队开始研究腿部的肌肉和神经回路。众所周知,大多数控制肢体运动的肌肉都是成对交替伸展和收缩,传统的截肢手术会导致肌肉之间的反馈被切断,让患者失去感知假肢空间位置和施加到假肢上的力量的能力。


为了解决上述问题,在2015年,Herr团队发明了一种截肢的新术式——激动肌-拮抗肌神经肌肉接口(AMI)。幸运的是,AMI确实可以保持肌肉之间的联系,让截肢后的肌肉之间仍可以互动交流[3]。2017年,他们证实,当小鼠收缩这对肌肉中的一块时,另一块肌肉会伸展并将感觉信息传回大脑[4]。随后,他们就开始了AMI的人体研究。


在2020年的一项研究中,Herr团队扫描了传统截肢者、AMI截肢者和正常人的大脑,他们发现,AMI截肢者和正常人的大脑本体感觉中枢的功能激活程度相似,而传统截肢者的大脑本体感觉中枢的激活程度则有所降低[5]。


2021年的一项临床试验(NCT03374319)发现,与传统截肢患者相比,AMI截肢患者在运动控制能力、假肢感觉和活动范围方面均有改善;出乎他们意外的是,AMI截肢患者的疼痛感居然大幅减轻[6]。


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▲ 神经假肢示意图


经过上述近10年的探索,Herr团队终于带着重磅研究成果回来了。


今天发表在《自然·医学》上的这篇研究论文,是另一项临床研究(NCT03913273)的研究数据。这个研究招募了7名接受过单侧膝下AMI截肢手术的受试者,以及相匹配的7名传统单侧膝下截肢的受试者(CTL)。


所有受试者使用Herr团队集成的一种自主仿生假肢,如上面的神经假肢示意图所示,它主要由动力假肢踝关节、肌电图(EMG)传感器单元和柔性电极三部分组成。其中柔性电极负责采集肌肉的电信号,并借此操纵假肢。


咱们先来看对照组(CTL)平地走路的效果。


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下面是AMI组受试者的情况。


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从测试结果来看,平地行走试验中,AMI受试者的生物仿真步态程度高于CTL受试者,而且AMI受试者的最大步行速度提高了41%(1.78米/秒 vs 1.26米/秒),接近于正常人的步速(1.81米/秒)。


接下来是对照组(CTL)爬楼梯的效果。


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以及AMI组受试者爬楼梯的情况。


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从试验结果来看,无论是5°的斜坡,还是爬楼梯,与对照组相比,AMI组受试者的表现都显著更优;而且AMI受试者完成地形适应任务的速度比对照组快32%至43%。



此外,在跨越障碍物时,AMI组受试者各方面的参数也比对照组更好。



总的来说,Hugh M. Herr团队的这项研究成果表明,在激动肌-拮抗肌神经肌肉接口(AMI)的基础上,采集肌电信号可以很好地帮助截肢者自主控制小腿的活动。


虽然假肢是由钛、硅胶和一些机电部件构成的,但患者的感觉很自然,患者甚至不需要有意识地思考就能自然地使用假肢,”在《自然》杂志同期发表的评论文章中,Hugh M. Herr如是说[7]。据了解,目前在全球范围内已有大约60名患者接受了AMI手术[8]。


希望未来Herr团队发明的术式和设备能造福更多患者,也期待Herr团队能更进一步,攻克其他类型截肢者面临的问题。


参考文献:

[1].Song, H., Hsieh, TH., Yeon, S.H. et al. Continuous neural control of a bionic limb restores biomimetic gait after amputation. Nat Med. 2024. doi:10.1038/s41591-024-02994-9

[2].ElDiwiny M. An Interview with Hugh Herr. Robotics Reports, 2023, 1(1): 42-49. doi:10.1089/rorep.2023.29005.int

[3].Clites TR, Carty MJ, Srinivasan S, Zorzos AN, Herr HM. A murine model of a novel surgical architecture for proprioceptive muscle feedback and its potential application to control of advanced limb prostheses. J Neural Eng. 2017;14(3):036002. doi:10.1088/1741-2552/aa614b

[4].Srinivasan SS, Carty MJ, Calvaresi PW, et al. On prosthetic control: A regenerative agonist-antagonist myoneural interface. Sci Robot. 2017;2(6):eaan2971. doi:10.1126/scirobotics.aan2971

[5].Srinivasan SS, Tuckute G, Zou J, et al. Agonist-antagonist myoneural interface amputation preserves proprioceptive sensorimotor neurophysiology in lower limbs. Sci Transl Med. 2020;12(573):eabc5926. doi:10.1126/scitranslmed.abc5926

[6].Srinivasan SS, Gutierrez-Arango S, Teng AC, et al. Neural interfacing architecture enables enhanced motor control and residual limb functionality postamputation. Proc Natl Acad Sci U S A. 2021;118(9):e2019555118. doi:10.1073/pnas.2019555118

[7].https://www.nature.com/articles/d41586-024-02157-3

[8].https://news.mit.edu/2024/prosthesis-helps-people-with-amputation-walk-naturally-0701

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本文作者丨BioTalker