Los seres humanos pueden sentir con precisión la posición, la velocidad y la torsión de sus extremidades, incluso con los ojos cerrados. Este sentido, conocido como propiocepción, permite a los seres humanos controlar con precisión los movimientos de su cuerpo. A pesar de las mejoras significativas en los dispositivos protésicos en los últimos años, los investigadores hanno ha podido proporcionar esta sensación esencial a las personas con extremidades artificiales, lo que limita su capacidad para controlar con precisión sus movimientos. Los investigadores del Centro de Biónica Extrema del MIT Media Lab han inventado una nueva interfaz neuronal y un paradigma de comunicación que puede enviar comandos de movimientodel sistema nervioso central a una prótesis robótica y, a cambio, retransmite retroalimentación propioceptiva que describe el movimiento de la articulación de regreso al sistema nervioso central. Este nuevo paradigma, conocido como la interfaz mioneural agonista-antagonista IAM, implica un nuevo enfoque quirúrgico paraamputación de extremidad en la que se conservan relaciones dinámicas de los músculos dentro de la extremidad amputada. El IAM fue validadoed en una extensa experimentación preclínica en el MIT, antes de su primera implementación quirúrgica en un paciente humano en el Brigham and Women's Faulkner Hospital.
en un artículo publicado hoy en Medicina traslacional científica , los investigadores describen la primera implementación humana de la interfaz mioneural agonista-antagonista IAM, en una persona con amputación por debajo de la rodilla. El artículo representa la primera vez que la información sobre la posición de la articulación, la velocidad y el par de torsión se alimenta a partir de una prótesismiembro en el sistema nervioso, según el autor principal y director del proyecto, Hugh Herr, profesor de artes y ciencias de los medios en el MIT Media Lab. "Nuestro objetivo es cerrar el circuito entre los músculos y nervios del sistema nervioso periférico, y el apéndice biónico", dice Herr.
Para hacer esto, los investigadores utilizaron los mismos sensores biológicos que crean las sensaciones propioceptivas naturales del cuerpo. El IAM consiste en dos músculos-tendones opuestos, conocidos como agonista y antagonista, que se conectan quirúrgicamente en serie de modo que cuando un músculose contrae y acorta, ya sea por activación volitiva o eléctrica, los otros estiramientos y viceversa. Este movimiento acoplado permite que los sensores biológicos naturales dentro del músculo-tendón transmitan señales eléctricas al sistema nervioso central, comunicando la longitud, velocidad y fuerza del músculoinformación, que es interpretada por el cerebro como propiocepción articular natural. Así es como la propiocepción músculo-tendinosa funciona naturalmente en las articulaciones humanas, dice Herr. "Debido a que los músculos tienen un suministro nervioso natural, cuando se produce este movimiento muscular agonista-antagonista se envía informacióna través del nervio hasta el cerebro, lo que permite a la persona sentir esos músculos en movimiento, tanto en su posición, como en su velocidad y carga ", dice.Al aplicar el AMI con electrodos, los investigadores pueden detectar pulsos eléctricos del músculo o aplicar electricidad al músculo para hacer que se contraiga."Cuando una persona está pensando en mover su tobillo fantasma, el AMI que se asigna a ese tobillo biónico se mueve hacia adelante y hacia atrás, enviando señales a través de los nervios al cerebro, lo que permite que la persona con una amputación sienta realmente que su tobillo biónico se mueve a lo largo delrango angular completo ", dice Herr.
Decodificar el lenguaje eléctrico de la propiocepción dentro de los nervios es extremadamente difícil, según Tyler Clites, primer autor del artículo y estudiante de posgrado líder en el proyecto. "Con este enfoque, en lugar de tener que hablar ese lenguaje eléctrico nosotros mismos, utilizamos estossensores biológicos para hablar el idioma por nosotros ", dice Clites." Estos sensores traducen el estiramiento mecánico en señales eléctricas que pueden ser interpretadas por el cerebro como sensaciones de posición, velocidad y fuerza ".
El AMI se implementó por primera vez quirúrgicamente en un paciente humano en el Brigham and Women's Faulkner Hospital, Boston, por Matthew J Carty, MD, uno de los autores del artículo, cirujano de la División de Cirugía Plástica y Reconstructiva e investigador científico del MIT.En esta operación, se construyeron dos AMI en el muñón en el momento de la amputación primaria por debajo de la rodilla, con un AMI para controlar la articulación protésica del tobillo y el otro para controlar la articulación subastragalina protésica.
"Sabíamos que para validar el éxito de este nuevo método de amputación, necesitaríamos acoplar el procedimiento con una nueva prótesis que pudiera aprovechar las capacidades adicionales de este nuevo tipo de muñón", Cartydice. "La colaboración fue fundamental, ya que el diseño del procedimiento informó el diseño de la extremidad robótica, y viceversa". Con este fin, se construyó una extremidad protésica avanzada en el MIT y se conectó eléctricamente al sistema nervioso periférico del paciente utilizando electrodos colocadossobre cada músculo del IAM después de la cirugía de amputación. Luego, los investigadores compararon el movimiento del paciente con IAM con el de cuatro personas que se habían sometido a un procedimiento tradicional de amputación por debajo de la rodilla, utilizando la misma prótesis avanzada. Encontraron que el paciente con IAM tenía máscontrol estable sobre el movimiento del dispositivo protésico, y era capaz de moverse de manera más eficiente que aquellos con la amputación convencional. También encontraron que el paciente con IAM rápidomostró comportamientos naturales y reflejos, como extender los dedos de los pies hacia el siguiente escalón al bajar unas escaleras.
Estos comportamientos son esenciales para el movimiento humano natural y estaban ausentes en todas las personas que se habían sometido a una amputación tradicional. Es más, mientras que los pacientes con amputación convencional informaron sentirse desconectados de la prótesis, el paciente con IAM rápidamente describió la sensación de que elel tobillo y el pie biónicos se habían convertido en parte de su propio cuerpo ". Esta es una evidencia bastante significativa de que el cerebro y la médula espinal de este paciente adoptaron la pierna protésica como si fuera su extremidad biológica, lo que permite que esas vías biológicas se activen una vez más.", Dice Clites." Creemos que la propiocepción es fundamental para esa adopción ".
Es difícil para una persona con una amputación de una extremidad inferior obtener un sentido de encarnación con su extremidad artificial, según Daniel Ferris, profesor de innovación en ingeniería Robert W. Adenbaum en la Universidad de Florida, que no participó en el"Esto es innovador. El mayor sentido de encarnación por parte del sujeto amputado es un resultado poderoso de tener un mejor control y retroalimentación de la extremidad biónica", dice Ferris. "Espero que veamos a las personas con amputaciones traumáticas comenzar abusquen este tipo de cirugía e interfaz para sus prótesis, ya que podría proporcionar una calidad de vida mucho mayor a los amputados ".
Desde entonces, los investigadores han realizado el procedimiento AMI en otros nueve amputados por debajo de la rodilla y planean adaptar la técnica para aquellos que necesitan amputaciones por encima de la rodilla, debajo del codo y por encima del codo.
"Anteriormente, los humanos habían usado la tecnología como si fueran herramientas", dice Herr. "Ahora estamos comenzando a ver una nueva era de interacción humano-dispositivo, de encarnación neurológica completa, en la que lo que diseñamos se convierte realmente en parte de nosotros., parte de nuestra identidad ".
El estudio actual tiene sus raíces en un proyecto de investigación que recibió financiamiento inicial en 2014, cuando Carty fue seleccionado como el ganador de los premios Stepping Strong Innovator Awards inaugurales otorgados por The Gillian Reny Stepping Strong Center for Trauma Innovation. Los premios y el centro fueronestablecido por una familia que sobrevivió a los atentados del Maratón de Boston y se comprometió a apoyar proyectos pioneros en la investigación y la atención innovadoras del trauma. Este apoyo permitió al equipo concentrarse rápidamente en todo el trabajo fundamental que era necesario para prepararse antes de llevar esta innovación ael quirófano.
La financiación para este trabajo también fue proporcionada por MIT Media Lab Consortia y un generoso obsequio de Google, Inc. Diseño y fabricación de prótesis financiados en parte por US Army MRMC W81XWH-14-C-0111.
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Materiales proporcionado por Hospital Brigham and Women's . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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