При большинстве ампутаций пары мышц, которые контролируют пораженные суставы, такие как локти или лодыжки, разрываются. Однако команда Массачусетского технологического института обнаружила, что повторное соединение этих мышечных пар, позволяющее им сохранять нормальные двухтактные отношения, дает людям гораздо лучшую сенсорную обратную связь.
«И наше исследование, и предыдущие исследования показывают, что чем лучше пациенты могут динамически двигать своими мышцами, тем больше у них будет контроля. Чем лучше человек может задействовать мышцы, которые двигают фантомной лодыжкой, например, тем лучше он может использовать свои протезы », – говорит Шрия Сринивасан, постдок из Массачусетского технологического института и ведущий автор исследования.
В исследовании, которое будет опубликовано на этой неделе в Proceedings of the National Academy of Sciences, 15 пациентов, перенесших этот новый тип хирургии, известный как мионевральный интерфейс агонистов-антагонистов (AMI), могли контролировать свои мышцы более точно, чем пациенты с традиционными ампутациями. Пациенты с ОИМ также сообщали о большей свободе движений и уменьшении боли в пораженной конечности.
«Благодаря хирургическим и регенеративным методам, которые восстанавливают движения мышц естественных агонистов-антагонистов, наше исследование показывает, что люди с ампутацией ОИМ испытывают больший диапазон движений фантомного сустава, меньший уровень боли и повышенную точность управляемости протезной конечностью», – говорится в сообщении. Хью Херр, профессор медиаискусств и наук, руководитель группы биомехатроники в Media Lab и старший автор статьи.
Среди других авторов статьи Саманта Гутьеррес-Аранго и Эрика Исраэль, старшие научные сотрудники Media Lab; Эшли Чиа-Эн Тенг, студентка Массачусетского технологического института; Хёнгын Сон, аспирант программы Гарварда и Массачусетского технологического института в области медицинских наук и технологий; Захари Бейли, бывший исследователь в Media Lab; Мэтью Карти, приглашенный научный сотрудник Media Lab; и Лиза Фрид, научный сотрудник Media Lab.
Восстановление ощущений
Большинство мышц, контролирующих движения конечностей, расположены парами, которые попеременно растягиваются и сокращаются. Одним из примеров таких пар агонист-антагонист является бицепс и трицепс.
Когда вы сгибаете локоть, мышца двуглавой мышцы сокращается, заставляя трицепс растягиваться, и это растяжение отправляет сенсорную информацию обратно в мозг.
Во время обычной ампутации конечности эти мышечные движения ограничиваются, отсекая эту сенсорную обратную связь, и людям с ампутированными конечностями становится намного сложнее чувствовать, где находятся их протезы в пространстве, или ощущать силы, приложенные к этим конечностям.
«Когда одна мышца сокращается, другая не проявляет антагонистической активности, поэтому мозг получает запутанные сигналы», – говорит Сринивасан, бывший член группы биомехатроники, сейчас работающий в Институте интегративных исследований рака Массачусетского технологического института им. Коха. "Даже с современными протезами люди постоянно визуально следят за протезом, чтобы попытаться откалибровать свой мозг в зависимости от того, куда движется устройство."
Несколько лет назад группа биомехатроники Массачусетского технологического института изобрела и научно разработала в доклинических исследованиях новую технику ампутации, которая поддерживает отношения между этими парами мышц. Вместо того, чтобы перерезать каждую мышцу, они соединяют два конца мышц, так что они по-прежнему динамически взаимодействуют друг с другом в пределах остаточной конечности.
В исследовании на крысах в 2017 году они показали, что когда животные сокращают одну мышцу из пары, другая растягивается и отправляет сенсорную информацию обратно в мозг.
После этих доклинических исследований около 25 человек перенесли операцию по ОИМ в больнице Бригама и женщин, которую выполнил Карти, который также является пластическим хирургом в больнице Бригама и женщин. В новом исследовании PNAS исследователи измерили точность движений мышц в голеностопных и подтаранных суставах у 15 пациентов, у которых ампутации ОИМ выполнялись ниже колена. У этих пациентов во время ампутации было повторно соединено два набора мышц: мышцы, которые контролируют голеностоп, и те, которые контролируют подтаранный сустав, который позволяет подошве стопы наклоняться внутрь или наружу.
В исследовании сравнивали этих пациентов с семью людьми, у которых были традиционные ампутации ниже колена.
Каждого пациента оценивали в положении лежа, опираясь ногами на поролоновую подушку, позволяя ступням подниматься в воздух. Пациенты не носили протезы конечностей во время исследования. Исследователи попросили их согнуть голеностопные суставы – как неповрежденный, так и «фантомный» – на 25, 50, 75 или 100 процентов от их полного диапазона движений.
Электроды, прикрепленные к каждой ноге, позволяли исследователям измерять активность определенных мышц, поскольку каждое движение выполнялось многократно.
Исследователи сравнили электрические сигналы, исходящие от мышц ампутированной конечности, с сигналами от неповрежденной конечности и обнаружили, что для пациентов с ОИМ они были очень похожи. Они также обнаружили, что пациенты с ампутацией ОИМ могли контролировать мышцы своей ампутированной конечности гораздо точнее, чем пациенты с традиционными ампутациями.
Пациенты с традиционной ампутацией с большей вероятностью будут выполнять одно и то же движение ампутированной конечности снова и снова, независимо от того, насколько сильно их просили согнуть лодыжку.
«Способность пациентов с ОИМ управлять этими мышцами была намного более интуитивной, чем у пациентов с типичными ампутациями, что в значительной степени было связано с тем, как их мозг обрабатывал движения фантомной конечности», – говорит Сринивасан.
В статье, недавно появившейся в журнале Science Translational Medicine, исследователи сообщили, что сканирование мозга людей с ампутированными конечностями с ОИМ показало, что они получали больше сенсорной обратной связи от своих остаточных мышц, чем пациенты с традиционными ампутациями. В работе, которая сейчас продолжается, исследователи измеряют, способствует ли эта способность лучшему контролю над протезом ноги во время ходьбы.
Свобода передвижения
Исследователи также обнаружили эффект, которого они не ожидали: пациенты с ОИМ сообщали о гораздо меньшей боли и большем ощущении свободы движений в своих ампутированных конечностях.
"Наше исследование не было специально разработано для достижения этой цели, но наши испытуемые выражали это мнение снова и снова. У них было гораздо большее ощущение того, что на самом деле чувствовала их ступня и как она двигалась в пространстве », – говорит Сринивасан. «Стало все более очевидным, что восстановление мышц до их нормальной физиологии имеет преимущества не только для контроля протезирования, но и для их повседневного психического благополучия."
Исследовательская группа также разработала модифицированную версию операции, которая может быть выполнена людям, у которых уже была традиционная ампутация. Этот процесс, который они называют «регенеративным ОИМ», включает пересадку небольших мышечных сегментов, которые служат мышцами-агонистами и антагонистами для ампутированного сустава.
Они также работают над разработкой процедуры AMI для других типов ампутаций, в том числе выше колена, выше и ниже локтя.
«Мы узнаем, что этот метод перенастройки конечности и использования запасных частей для реконструкции этой конечности работает и применим к различным частям тела», – говорит Герр.
Исследование финансировалось Консорциумом MIT Media Lab, Национальным институтом детского здоровья и развития человека, Национальным центром исследований в области медицинской реабилитации и Программой медицинских исследований, управляемой Конгрессом США.S. Министерство обороны.