Протезы ног с реалистичными тактильными ощущениями повысили мобильность пациентов

Большинство современных протезов основаны на прямой электрической стимуляции остаточной периферической или центральной нервной системы. Эти устройства работают с заранее определенной частотой стимуляции и активируют все нейроны одновременно. Такие подходы нередко приводят к парестезиям, которые могут влиять на восприятие комплексной информации (например, затрагивающей не только тактильные, но и температурные ощущения). Кроме того, парестезии способны затруднить дальнейшую электрическую стимуляцию.

В качестве возможного решения был создан подход, при котором стимуляция нейронов имитирует природный тактильный сигнал. Этот подход известен как биомиметическая сенсорная обратная связь. Он вызывает более естественные ощущения по сравнению с обычно используемыми методами стимуляции. Несмотря на первоначальный успех биомиметической нейростимуляции у пациентов с ампутированными кистями, такой подход ни разу не применялся на людях с ампутированными нижними конечностями. «Координационная сложность  работы ног при активном передвижении очень высока, — объясняет один из авторов работы Павел Мусиенко, доктор медицинских наук, профессор, руководитель  лаборатории нейропротезов СПбГУ, руководитель  направления нейробиологии НТУ «Сириус», заведующий  лаборатории нейромодуляции Института физиологии им. И.П.Павлова РАН. — Кроме того, нижние конечности выполняют опорную функцию, неся большую весовую нагрузку».

Международная группа исследователей, в состав которой вошла российская научная группа под руководством Павла Мусиенко, создала систему биомиметической нейростимуляции подошвы стопы (FootSim). Авторы работы в Nature Communications смоделировали in silico пространственно-временную динамику тактильных афферентных нейронов, иннервирующих подошвенную область стопы.

Всего ученые создали пять типов паттернов тактильной стимуляции, основанных на кумулятивных реакциях разных типов афферентных нейронов. Стимулы для моделирования ходьбы длились две секунды; их различные варианты в совокупности охватывали всю область стопы.  Авторы объединили их с низкоамплитудным шумом (до 0,5% от максимальной амплитуды самих стимулов). Модель оценивала амплитуду ответа отдельных афферентов в ответ на стимулы, чтобы охарактеризовать поведение совокупности механорецепторов стопы при ходьбе. 

Чтобы проверить динамику нейростимуляции, ученые поставили эксперимент с двумя взрослыми (2–3 года) кошками обоих полов. Исследование подтвердило, что электрическая стимуляция служит отличным инструментом для создания искусственных паттернов нейронной активации, которые хорошо воспринимаются соматосенсорной системой.

Авторы работы также регистрировали активность нейронов в спинном мозге и ганглиях задних корешков, возникающую при биомиметической или тонической стимуляции. Полученные результаты они сравнили с естественной нейронной активностью, которая возникает при касании кошачьей лапы ватной палочкой. Ученые пришли к выводу, что биомиметическая стимуляция очень близка к естественной.

Следующим этапом работы стало небольшое клиническое испытание, в котором приняли участие три пациента с трансфеморально (выше колена) ампутированными нижними конечностями. Им имплантировали поперечные внутрипучковые многоканальные электроды (transverse intrafascicular multichannel electrode, TIME) в большеберцовую ветвь седалищного нерва. Затем ученые определили каналы электродов, которые соответствовали передней, средней и задней плюсневой кости и пятке. Стимулируя их, исследователи просили пациентов оценить свои ощущения по шкале от 0 до 5, где 0 — совершенно неестественные, а 5 — полностью естественные ощущения. Паттерны биомиметической нейростимуляции вызывали более естественные ощущения, чем немиметическое кодирование (3 ± 0,18 с биомиметической кодировке по сравнению с 1 ± 0,35 в немиметической).

На основе биомиметической кодировки авторы работы создали  протез ноги, призванный максимально заменить сенсомоторные функции естественной конечности. В конструкцию входили следующие компоненты:

• стелька с несколькими датчиками давления;

• наколенный протез с микропроцессором и гибкой стопой;

• портативный микроконтроллер, запрограммированный на биомиметические алгоритмы кодирования;

• многоканальный стимулятор;

• электроды, имплантированные в периферические нервы.

Устройство считывало давление, распределяющееся по участкам стопы во время ходьбы, и передавало соответствующие стимулы на периферические нервы в соответствии с биомиметической кодировкой.

Затем пациентов, которым установили такой протез, попросили выполнить две задачи: походить по лестнице в течение 30 секунд и написать слово задом наперед во время ходьбы. В первом тесте биомиметическое кодирование сравнивали со стратегией линейной и дискретной во времени нейростимуляции. Результаты показали, что применение биомиметического подхода в протезе увеличило скорость ходьбы (4,9 ± 0,1 кругов за сеанс) по сравнению с линейной (4,5 ± 0,1 кругов за сеанс) и дискретной (4,6 ± 0,1 кругов за сеанс) стимуляцией. Интересно, что при ношении биомиметического протеза также возросла уверенность пациентов, которую они оценивали самостоятельно с помощью визуально-аналоговой шкалы.

Во втором тесте биомиметика также показала лучшие результаты. В частности, точность выполнения задания составила 76 ± 16% при ношении биомиметического протеза, 58 ± 20% при линейной стимуляции и 58 ± 11% — при дискретной. Полученные результаты подтверждают, что биомиметическая нейростимуляция улучшает подвижность и снижает умственную нагрузку по сравнению с традиционными подходами к протезированию.

Предложенный подход позволил имитировать естественную передачу сигнала от афферентных волокон конечности и тем самым придать «чувствительности» протезу. Павел Мусиенко комментирует полученные результаты: «Биомиметическая стимуляция привела к активности нейронной сети, приближающейся по своей пространственно-временной динамике к естественной нормальной». По мнению авторов работы, эта технология должна стать фундаментальной особенностью нейропротезов следующего поколения, способных напрямую передавать физиологически правдоподобные ощущения в мозг.

Цифровой мост между головным и спинным мозгом восстановил способность ходить после травмы позвоночника