近日，麻省理工学院(MIT)的研究人员与布里格姆妇女医院的同事合作，利用一种新型手术干预和神经假肢接口，证明了使用完全由人体自身神经系统驱动的义肢可以实现自然的行走步态。外科截肢手术重新连接了残肢的肌肉，患者以此能够接收到关于假肢在空间中的位置的“本体感受”反馈。该项研究成果于近日发表在《Nature Medicine》。
麻省理工学院K. Lisa Yang仿生学中心联合主任、麻省理工学院麦戈文大脑研究所副成员、这项新研究的资深作者休·赫尔(Hugh Herr)表示：“这是历史上首次展示了假肢在完全神经调控下出现的仿生步态。还没有人能够展示这种产生自然步态的大脑控制水平，即人类的神经系统在控制运动，而不是机器人的控制算法。”
这种手术被称为"主动肌-拮抗肌神经接口"(AMI)，患者在手术后疼痛减轻，肌肉萎缩减少。迄今为止，全世界已有约60名患者接受了这种手术，手臂截肢者也可以接受这种手术。
感觉反馈
大多数肢体运动是由成对的肌肉控制的，它们轮流伸展和收缩。在传统的膝盖以下截肢手术中，这些成对肌肉的相互作用被破坏。这使得神经系统很难感知肌肉的位置和收缩的速度，而这些感觉信息对大脑决定如何移动肢体至关重要。
由于无法准确感知肢体在空间中的位置，这类截肢患者在控制假肢时可能会遇到困难。相反，他们依靠内置在假肢中的机器人控制器。这些假肢还包括可以检测和调整斜坡和障碍物的传感器。
图1 神经假体 (a) 神经假体接口和完全由人类神经系统驱动的机械腿的示意图。增强残余肌肉传入增强了运动步态控制和适应的主要反馈方式。通过对机械腿的持续神经控制，患者可以有效地微调他们的残余运动控制，以实现仿生步态。(b) 神经假体接口由AMI和皮肤贴合的EMG柔性电极组成。与非 AMI CTL 队列相比，AMI 被证明可以增强主动肌-拮抗肌传入信号。
为了帮助人们在完全神经系统控制下实现自然的步态，Herr和他的同事几年前开始开发AMI手术。它们没有切断天然的主动肌-拮抗肌之间的相互作用，而是将肌肉的两端连接起来，使它们在残肢内仍能动态地相互交流。这种手术可以在初次截肢时进行，也可以在初次截肢后作为翻修手术的一部分重新连接肌肉。
Herr说：“在AMI截肢手术中，我们最大程度地尝试以生理学的方式将原生主动肌与原生拮抗肌连接起来，这样在截肢后，患者就能以生理水平的本体感觉和运动范围移动其完整的幻肢。”
在2021年的一项研究中，Herr的实验室发现，接受这种手术的患者能够更精确地控制截肢的肌肉，这些肌肉产生的电信号与完整肢体产生的电信号相似。
在取得这些令人鼓舞的成果后，研究人员开始探索这些电信号是否能为假肢产生指令，同时向使用者反馈假肢在空间中的位置。佩戴假肢的人就可以利用本体感觉反馈，根据需要自主调整步态。
在《自然医学》的新研究中，MIT的研究小组发现，这种感官反馈确实转化为一种平稳、近乎自然的行走和穿越障碍的能力。
"因为有了AMI神经假肢接口，我们能够增强神经信号，尽可能多地保留神经信号。宋说："这能够恢复人的神经能力，使其能够持续、直接地控制整个步态，包括不同的行走速度、楼梯、斜坡，甚至越过障碍物。
麻省理工学院媒体实验室的博士后，该项研究第一作者Hyungeun Song表示：“由于AMI神经假肢接口，我们能够增强神经信号，尽可能多地保留。这能够恢复一个人的神经能力，使其能够连续、直接地控制整个步态，跨越不同的行走速度、楼梯、斜坡，甚至越过障碍物。”
自然步态
在这项研究中，研究人员对 7名接受 AMI 手术的人和 7 名接受传统膝下截肢手术的人进行了比较。所有受试者都使用了相同类型的仿生肢体：带有动力踝关节和电极的假肢，这些电极可以感知来自胫骨前肌和腓肠肌的肌电图（EMG）信号。这些信号被输入一个机器人控制器，帮助假肢计算踝关节弯曲的程度、施加的扭矩或输出的功率。
神经假体恢复仿生行走 (a) 在10 m开放走廊中水平地面行走的仿生踝关节力学以三种步行速度显示。(b，c) 图报告了每种步行速度的神经调节仿生运动学（b）和动力学（c）。
研究人员在几种不同的情况下对受试者进行了测试：在10米长的小路上平地行走、在斜坡上行走、在坡道上行走、上下楼梯，以及在避开障碍物的情况下在平地上行走。
在所有这些任务中，带有AMI神经义肢接口的人能够走得更快——与没有截肢的人的速度大致相同——并且更容易绕过障碍物。他们还表现出更自然的动作，比如在上楼或跨越障碍时将假肢的脚趾向上翘起，并且他们能够更好地协调假肢和完整肢体的运动。他们也能像没有截肢的人一样，用同样的力量推离地面。
Herr说：“在AMI手术中，我们看到了自然的仿生行为出现，那些没有AMI的人，虽然他们能够行走，但假肢的运动不自然，而且他们的动作普遍较慢。”
尽管AMI提供的感官反馈量不到未截肢者正常情况下的20%，但这些自然行为还是出现了。
Hyungeun Song表示：“这里的主要发现之一是，只需少量增加来自截肢肢体的神经反馈，就能恢复显著的仿生神经可控性，达到让人们直接通过神经控制行走速度、适应不同地形和避开障碍物的程度。”
布里格姆妇女医院的外科医生、哈佛医学院副教授马修·卡蒂(Matthew Carty)表示：“这项工作代表了我们在展示恢复严重肢体损伤患者功能方面的可能性方面又迈出了一步。正是通过这样的合作努力，我们才能在病人护理方面取得革命性的进步。”他也是该项研究的作者之一。
MIT 教授 Hugh Herr
让假肢使用者进行神经控制是Herr实验室实现“重建人体”目标的一步，而不是让人们依赖更复杂的机器人控制器和传感器——这些工具功能强大，但感觉不像用户身体的一部分。
Herr表示：“这种长期方法的问题是，用户永远不会感受到他们的假肢。他们永远不会把假肢视为他们身体的一部分，自我的一部分。我们正在采取的方法是试图将人类的大脑与电子力学全面联系起来。”
参考来源：
https://news.mit.edu/2024/prosthesis-helps-people-with-amputation-walk-naturally-0701
https://www.media.mit.edu/projects/agonist-antagonist-myoneural-interface-ami/overview/
https://www.nature.com/articles/s41591-024-02994-9
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