211service.com
Bezproblemowe stapianie człowieka i maszyny
Nowatorski implant zawierający komórki mięśniowe mógłby lepiej zintegrować protezy kończyn z ciałem, umożliwiając osobom po amputacji większą kontrolę nad zrobotyzowanymi przydatkami. Konstrukt, opracowany na Uniwersytecie Michigan, składa się z maleńkich miseczek wykonanych z elektrycznie przewodzącego polimeru, które pasują do zakończeń nerwów i przyciągają odcięte nerwy. Sygnały elektryczne pochodzące z nerwu mogą być następnie tłumaczone i wykorzystywane do poruszania kończyną.
Żywy interfejs: Komórki mięśniowe (pokazane tutaj) są hodowane na biologicznym rusztowaniu. Odcięte nerwy pozostałe po utraconej kończynie łączą się z komórkami mięśniowymi w interfejsie, który przekazuje sygnały elektryczne, które można wykorzystać do sterowania sztucznym ramieniem.
Wygląda na to, że może to być elegancki sposób kontrolowania protezy za pomocą delikatnych ruchów, mówi Rutledge Ellis-Behnke, naukowiec z MIT, który nie był zaangażowany w badania. Zamiast mieć duży, głupi kawałek plastiku przypięty do ramienia, możesz mieć zintegrowane narzędzie, które wydaje się być częścią ciała.
W dzisiejszych czasach ruch większości protez jest trudny i ograniczony. Kończyny są kontrolowane przez świadomy ruch pozostałego mięśnia – osoba nosząca może na przykład napiąć mięsień klatki piersiowej, aby przesunąć rękę w określonym kierunku. Podłączenie resztkowych nerwów bezpośrednio do sztucznych kończyn zapewniłoby bardziej intuicyjny sposób ich kontrolowania. Jednak wysiłki zmierzające do zbudowania połączeń nerwów obwodowych zostały w dużej mierze utrudnione przez wzrost tkanki bliznowatej, co ogranicza użyteczność i trwałość wszczepionych urządzeń.
Najskuteczniejszą dotychczas metodą kontrolowania protezy jest zabieg chirurgiczny, w którym nerwy, które wcześniej były przyczepione do mięśni w utraconej ręce i ręce, są przeszczepiane do klatki piersiowej. Kiedy użytkownik myśli o poruszeniu ręką, mięśnie klatki piersiowej kurczą się, a te sygnały są wykorzystywane do kontrolowania kończyny. Chociaż jest to ogromna poprawa w stosunku do istniejących metod, podejście to nadal zapewnia ograniczony poziom kontroli – tylko około pięciu nerwów można przeszczepić do klatki piersiowej.
Nowy interfejs opracowany przez chirurga plastycznego Paweł Cederna i współpracownicy, opierają się na tej koncepcji, wykorzystując przeszczepione komórki mięśniowe jako cele, a nie nienaruszone mięśnie. Po odcięciu kończyny, nerwy, które pierwotnie były do niej przyczepione, kontynuują kiełkowanie, szukając nowego mięśnia, z którym można by się połączyć. (Ten proces biologiczny może czasami powodować bolesne sploty tkanki nerwowej, zwane nerwiakami, na czubku odciętej kończyny). Nerw stale wysyła sygnały w dół, aby powiedzieć dłoni, co ma robić, nawet jeśli ręki nie ma, mówi Cederna. Możemy zinterpretować te sygnały i wykorzystać je do uruchomienia protezy.
Interfejs składa się z małej miseczkowatej struktury o średnicy około jednej dziesiątej milimetra, która jest chirurgicznie wszczepiana na koniec nerwu, przekazując zarówno sygnały ruchowe, jak i czuciowe z nerwu do protezy. Wewnątrz kubka znajduje się rusztowanie z tkanki biologicznej wypełnione komórkami mięśniowymi – ponieważ nerwy ruchowe i czuciowe łączą się z mięśniami w zdrowej tkance, komórki mięśniowe stanowią naturalny cel dla wędrujących zakończeń nerwowych. Odcięty nerw wrasta w miseczkę i łączy się z komórkami, przekazując sygnały elektryczne z mózgu. Ponieważ jest pokryty elektrycznie aktywnym polimerem, miseczka działa jak drut, który odbiera sygnały elektryczne i przekazuje je do kończyny robota. Zespół Cederny nie opracowuje samodzielnie protez, ale twierdzi, że sygnały mogą być przesyłane za pośrednictwem istniejącej technologii bezprzewodowej.
Do tej pory naukowcy przetestowali interfejs u gryzoni z odciętym nerwem obwodowym, wykazując, że nerw wrasta w miseczkę i tworzy połączenia z komórkami mięśniowymi. Jeśli uda im się utrzymać koniec neuronu w tym obszarze w stanie nienaruszonym, jest to wielki przełom, mówi Ellis-Behnke. Nerwy u szczurów są mniej więcej tej samej wielkości, co te, które byłyby celem u ludzi. Badanie zostało zaprezentowane dziś na konferencji Amerykańskie Kolegium Chirurgów W Chicago.
Urządzenie może również przesyłać czucie z powrotem do nerwów czuciowych, które przekazują ciepło, ciśnienie i inne informacje ze skóry do mózgu. Podobnie jak nerwy ruchowe, nerwy czuciowe tworzą połączenia z komórkami mięśniowymi w miseczce. W testach na gryzoniach naukowcy pokryli dwa nerwy jednego zwierzęcia – jeden motoryczny i jeden czuciowy. Chociaż szczur nie miał protezy, naukowcy byli w stanie wykazać, że implant może zmostkować odcięty nerw, przekazując przez niego sygnały nerwowe; łaskotanie stopy szczura wywołało aktywność komórek mięśniowych w implancie.
Zdolności sensoryczne to główny brakujący element dzisiejszych protez – informacje zwrotne dotyczące dotyku, ciśnienia i temperatury są niezbędne do podniesienia delikatnego jajka lub gorącej patelni. Ostatecznie protezy kończyn można by wyposażyć w czujniki ciepła lub ciśnienia, które mogłyby przekazywać te informacje do komórek mięśniowych w interfejsie i umożliwiać przesyłanie tych informacji do mózgu.
Badania są wciąż na wczesnym etapie, a wiele pytań pozostaje bez odpowiedzi. Musimy dowiedzieć się, ile czasu zajmie, aby połączenia stały się funkcjonalne i jaka będzie trwałość i solidność”, mówi Józef Pancrazio , dyrektor programowy w National Institute for Neurological Disorders and Stroke, który nie był zaangażowany w badania. Ale wygląda to bardzo ekscytująco. Badania są finansowane przez Departament Obrony.
Jednym z głównych problemów związanych z implantami neuronowymi do tej pory była stabilność urządzeń, ponieważ wszczepione elektrody często pokrywają się tkanką bliznowatą i przestają działać. Jak dotąd przez sześć miesięcy, w których naukowcy oceniali interfejsy u szczurów, nie było śladów blizn. Chociaż naukowcy nie są pewni dlaczego, może być tak, że miseczka chroni implant przed reakcjami zapalnymi, które prowadzą do blizn, lub że zapewnienie celu dla komórek nerwowych całkowicie tłumi te reakcje, odtwarzając bardziej normalne środowisko dla odciętego nerwu. Naukowcy codziennie monitorują implanty, aby określić ich trwałość w czasie.
Jednym szczególnie obiecującym wczesnym odkryciem jest jednak to, że w tkance otaczającej interfejs rozwijają się nowe naczynia krwionośne, które zasilają wszczepione komórki mięśniowe, dostarczając im składników odżywczych potrzebnych do przetrwania.
Nie jest jeszcze jasne, ilu z tych nasadek nerwowych będzie potrzebnych pacjentom do odpowiedniej kontroli nad wyrafinowaną sztuczną kończyną. Na przykład ktoś, kto stracił rękę na poziomie barku, potrzebowałby wystarczającej ilości nasadek nerwowych, aby zgiąć i wyprostować łokieć, nadgarstek i palce, a także nerwy czuciowe. Jedynym ograniczeniem, mówi Cederna, będzie to, jak zaawansowana technologicznie mogą wykonać protetykę.