הגפיים הביוניות הנשלטות על ידי המוח מתקרבות למציאות

המילה "ביונית" מעלה חזיונות מדע בדיוני של בני אדם משופרים לרמות על אנושיות. נכון שהתקדמות הנדסית כמו מנועים וסוללות טובים יותר, יחד עם מחשוב מודרני, גורמות לכך שהמערכות המכניות והאלקטרוניות הנדרשות כבר אינן מחסום בפני תותבות מתקדמות. אבל התחום נאבק לשלב את המכונות החזקות הללו עם גוף האדם.

זה מתחיל להשתנות. ניסוי שנערך לאחרונה בדק טכניקת אינטגרציה חדשה אחת, הכוללת שחזור כירורגי של זוגות שרירים המעניקים למקבלים תחושה של מיקומו ותנועתו של איבר ביוני. אותות מאותם שרירים שולטים במפרקים רובוטיים, כך שהתותבת נמצאת בשליטה מלאה של המוח של המשתמש. המערכתאפשרו לאנשים עם קטיעות מתחת לברך ללכת באופן טבעי יותרולנווט טוב יותר במדרונות, מדרגות ומכשולים, דיווחו חוקרים ביולירפואת טבע.

מהנדסים ראו בדרך כלל בביולוגיה מגבלה קבועה שיש להנדס סביבה, אומר הביו-מהנדס טיילר קלייטס, אשרעזר לפתח את הטכניקה לפני מספר שניםבזמן ב-MIT. "אבל אם נסתכל על הגוף כחלק מהמערכת שיש להנדס, במקביל למכונה, השניים יוכלו לתקשר טוב יותר".

השקפה זו מניעה גל של טכניקות המעצבות מחדש את הגוף כדי להשתלב טוב יותר עם המכונה. Clites, כיום ב-UCLA, קורא לטכניקות כאלה "אנטומיה", ללהבדיל אותם מהביוניקה המסורתית. "הנושא שבו טיפלנו לא היה בעיה הנדסית", הוא אומר. "האופן שבו הגופה עברה מניפולציות במהלך הקטיעה לא השאירה אותה במצב של יכולת לשלוט בגפיים שיצרנו."

בגישה אנטומית, עצמות מנוצלות כדי לספק עוגנים יציבים; עצבים מנותבים מחדש כדי ליצור אותות בקרה עבור גפיים רובוטיות או לשדר משוב חושי; השרירים משולבים כמגברים ביולוגיים או מושתלים למקומם כדי לספק יותר מקורות אותות. כל הטכניקות הללו משפרות את הקשר והתקשורת בין איבר רובוטי למערכת העצבים האנושית,(SN: 2/9/24).

מכשירים מבוססי אנטומיה עשו את דרכם לאט מהמעבדות ואל העולמות המסחריים והקליניים. אבל יש הטוענים שהתחום מקרב אותנו לחזון המדע הבדיוני הזה של איברים ביונים משולבים בצורה חלקה, נשלטת על ידי המוח - במיוחד כשהתקדמות נוספת נמצאת מעבר לפינה.

הנה מבט מקרוב על האופן שבו חוקרים שואפים להתחתן עם גוף ומכונה.

בנייה מחדש של שרירים

פרופריוספציה - המודעות של הגוף לעצמו במרחב - היא חוש שקשה לשחזר, אבל(SN: 9/9/19). השרירים שולחים אותות למוח שלנו לגבי היכן נמצא הגוף שלנו, איך הוא נע ובאילו כוחות הוא נתקל. אותות אלו נוצרים בעיקר על ידי שרירים מצמודים הנקראים זוגות אגוניסט-אנטגוניסטים, כאשר אחד מהם מתכווץ כשהשני נמתח.

בקטיעה מסורתית, משוב חשוב זה נמחק. אבל הטכניקה שדווחה במחקר של יולי, המכונה ממשק אגוניסט-אנטגוניסט מיוניורלי, או AMI, משחזרת בניתוח את זוגות הדחיפה-משיכה ומשתמשת באותות שהם מייצרים כדי לשלוט במפרקים תותבים. ההליך מאפשר לנמען "לחוש" את הגפה התותבת שלו.

"כאשר התותבת זזה, האדם למעשה מרגיש את התנועה הזו כתחושה פרופריוספטיבית טבעית", אומר הביוניסט יו הר, MIT, שפיתח את הטכניקה לצד Clites והמנתח של הצוות מתיו קארטי.

המחקר האחרון היה חלק מניסוי קליני שעורכים הר ועמיתיו, שבדק את הטכניקה ב-14 אנשים עם קטיעה מתחת לברך. שבעה משתתפים עברו את הליך AMI, בעוד שלאחרים היו קטיעות רגליים סטנדרטיות. נמעני המערכת המבוססת על AMI העלו את מהירות ההליכה שלהם בכ-40 אחוז מ-1.26 מטר לשנייה ל-1.78 מטר לשנייה, מצאו החוקרים, שיעור השווה לזה של אנשים ללא קטיעה.

הרחבת עצמות

התלונות השכיחות ביותר של משתמשים בתותבות כוללות כאב ואי נוחות. מקור עיקרי לאי נוחות הוא נקודת ההתקשרות.

"רבות מהבעיות בשימוש בתותבות קשורות לשקע", אומרת ביו-מהנדסת סינדי צ'סטק מאוניברסיטת מישיגן באן ארבור. בשר סקוושי אינו מתאים להעברת עומסים לחלק הגוף שנבנה לעבודה זו - עצמות. המתח שנוצר עלול לגרום לנזק לרקמות ולתמיד, לאי נוחות, ולעתים לגרום למשתמשים לנטוש את המכשיר שלהם.

טכניקה הנקראת אוסאואינטגרציה מנצלת את העובדה שמתכות מסוימות נקשרות לעצם. בורג טיטניום המוחדר לשלד מעגן את התותבת במקומה, ומספק חוזק, יציבות ונוחות רבה יותר. "יש סיבה שיש לנו שלדים", אומר צ'סטק.

ההליך בוצע לראשונה בשנת 1990 אך לא הפך למקובל וזמין קלינית עד לעשור האחרון. מערכת שתלים אחת, הנקראת OPRA, קיבלה אישור ממינהל המזון והתרופות האמריקאי בשנת 2020. החיסרון העיקרי הוא שבורג הטיטניום חייב לעבור דרך העור, וליצור חור קבוע הנושא סיכוני זיהום. "מלבד הסיכון לזיהום, האוסאואינטגרציה טובה יותר בכל המובנים", אומר Chestek.

טכניקה הנקראת osseointegration מעגנת תותבת במקומה באמצעות בורג טיטניום המוחדר לשלד. אלקטרודות מושתלות מאפשרות שליטה במוטוריקה עדינה, כגון איסוף ביצים.השלם AB

ניתוב מחדש של עצבים

ביוניסטים ביקשו זה מכבר להתחבר לעצבי הגוף כדי ליצור תותבות המתקשרות עם המוח. אבל המאמצים המוקדמים היו מתסכלים, בעיקר בגלל שהאותות שעצבים נושאים חלשים מאוד.

"אנשים ניסו במשך עשרות שנים לקבל אותות משמעותיים מ[להכניס] חוט בתוך עצב", אומר צ'סטק. "עד היום, זה כמעט בלתי אפשרי מחוץ למסגרת מעבדה מבוקרת."

תותבות ביוניות מודרניות מתקשרות בעיקר עם שרירים במקום זאת. כאשר מופעלים על ידי עצב, השרירים פולטים אותות חשמליים גדולים בהרבה, אותם ניתן לקלוט על ידי אלקטרודות על העור, אשר לאחר מכן שולטות באיבר התותב.

אבל עצבים שהפעילו בעבר חלקים של איבר חסר - ויכולים להפעיל בצורה דומה את האיבר המלאכותי - לא מסתיימים בדרך כלל בשרירים. הם לא הולכים לשום מקום, מה שיוצר נוירומות, נורות בקצות העצבים ש"הניצוץ" החשמלי שלהן גורם לכאב.

הליך שנקרא העצרת שרירים ממוקדת, או TMR, פותר בעיה זו. מנתח מפשיט מהשרירים את העצבים המקומיים שלו ומנתב מחדש את העצבים הקטועים אל הקרקע הטרייה הזו. עצבים מנותבים מחדש צומחים לתוך השרירים עם הזמן, הפועלים כמגברים, ויוצרים מקורות לאותות הבקרה הנדרשים. "אתה הופך בעיית רישום עצבים לבעיית רישום שרירים", אומר Chestek. "הקלטת שרירים היא קלה." ההליך מטפל גם בכאב נוירומה - מטרה שלשמה הוא מבוצע לעתים קרובות.

החיסרון הוא ש-TMR עושה קניבליזציה של שרירים קיימים, ומגביל את מספר האותות שניתן ליצור. "נגמר לך הנדל"ן די מהר", אומר צ'סטק. זה חשוב במיוחד עבור קטיעות מעל הברך או המרפק, שבהם נותרו פחות שרירים ויותר מפרקים תותבים לשליטה.

טכניקה חדשה,ידוע כממשק עצב היקפי מתחדש, או RPNI, מחדיר בניתוח שתלי שרירים קטנים שנלקחו ממקום אחר ומנתב עצבים אליהם במקום זאת. מנתחים יכולים לאחר מכן לנתח את צרורות העצבים הללו לתוך הסיבים המרכיבים אותם כדי לנצל את המטרות החדשות שהושתלו, ולאפשר לחוקרים ליצור אותות רבים ככל שהם צריכים, אומר Chestek.

הגודל הקטן של שתלי השריר מקשה על קליטת האותות מהם באמצעות אלקטרודות פני השטח. "אי אפשר להקליט [אותות חשמליים] מחתיכת שריר של שלושה סנטימטרים דרך העור בקלות רבה", אומר Chestek. "עליך להשתמש באלקטרודות מושתלות." זה פולשני יותר, והשתלים מתמודדים עם מכשולים רגולטוריים, אבל אלקטרודות מושתלות מייצרות אותות באיכות גבוהה יותר. רק צריך לגשת אליהם איכשהו, מכיוון שהעברת חוטים דרך העור אינה ברת קיימא מחוץ למחקרי מעבדה.

כמה חוקרים עובדים על מערכות אלחוטיות, אבל פתרון נוסף הוא שילוב RPNIs עם אוסאואינטגרציה. בהתקנה זו, חוטים בין אלקטרודות מושתלות לבין התותבת פשוט עוברים דרך בורג הטיטניום. מחקר שפורסם בשנה שעברהתיאר זרוע ביונית מעל המרפק תוך שימוש בגישה זושאפשרה לנמען לשלוט בכל אצבע בידו הרובוטית.

בנייה מחדש של גופים

במעבדה האנטומית שלו ב-UCLA, Clites אומר, "יש לי תשעה או 10 שיתופי פעולה פעילים עם מנתחים בפרויקטים שונים." כאן, הוא והצוות שלו משתמשים בגופות כדי לבדוק רעיונות ולאסוף נתונים. "אנחנו נחבר גפיים של גופות לזרוע מניפולטור ונעריך את המערכות שאנו מפתחים כדי לוודא שהן פועלות כמתוכנן", אומר Clites. "זה עמוד השדרה של מה שאנחנו עושים."

אחד הפרויקטים בפיתוח הוא שיטת התקשרות חדשהשנמנע מהחור הקבוע שמגיע עם אוסאואינטגרציה. במקום בורג טיטניום, יש פיסת פלדה באיבר ואלקטרומגנט בשקע התותב. "המגנט הזה מחזיק את [השקע] על הגפה", אומר קלייטס, "ואז אתה יכול לשלוט בכמה כוח משיכה יש על ידי שינוי הזרם דרך האלקטרומגנט הזה." השקע אינו חייב לשאת עומסים; הכוח המגנטי עושה את העבודה הזו, משתנה מרגע לרגע בהתאם לדרישות, כמו הליכה לעומת עמידה.

במעבדה שלהם ב-UCLA, הביו-מהנדס טיילר קלייטס ודוקטורט. המועמדת אופלי הרווה משתמשת בזרוע רובוט כדי לתפעל ברך דגם בסימולציה של ניסוי שייערך על גופות.Milo Mitchell/UCLA Health

ב-MIT, הר עובד גם על התקדמות חדשה. הניסוי האחרון של רגליים ביוניות מבוססות AMI השתמש באלקטרודות על העור כדי להפיץ אותות מהשרירים למפרקים התותבים. אבל לאלקטרודות פני השטח יש חסרונות, כמו תנועה הגורמת לעיוותים באות. הטכניקה החדשה - הנקראת מגנטומיקרומטריה - כוללתהצבת כדורים מגנטיים בתוך השריריםומעקב אחר תנועתם באמצעות מגנומטרים. "עם המגנטים האלה," אומר הר, "אנחנו יכולים למדוד את מה שמעניין אותנו ולהשתמש בו כדי לשלוט ישירות על התותבת הביונית." מוצר מסחרי יהיה קיים בעוד כחמש שנים, הוא אומר.

עבור הר, התקדמות כזו היא אישית. שתי רגליו נקטעו מתחת לברך לאחר תאונת טיפוס הרים לפני 42 שנים. הוא שוקל לשדרג בשנים הקרובות לתותבות רגליים ביוניות מבוססות AMI. ברגע שהטכניקות הללו משתכללות, הוא חוזה קפיצת מדרגה. "כשאתה מתחתן עם טכניקות כירורגיות כמו AMI ו-RPNI עם משהו כמו מגנטומיקרומטריה, אנחנו מאמינים שזה ייגמר במשחק", אומר הר. "אנחנו מאמינים שתהיה הגרסה ההוליוודית של גפיים רובוטיות הנשלטות על המוח."

יתרון נוסף של שחזור פרופריוספציה, לצד, האם זה גורם לנמענים להרגיש יותר כאילו תותבת היא חלק מעצמם (SN: 22/4/21). "המטרה בשטח היא כשאנחנו עושים שחזור רובוטי, האדם אומר, 'אלוהים אדירים, החזרת לי את הגוף שלי'", אומר הר. "במקום כלי רובוטי, אנחנו מחזירים להם איבר שלם. המגרש קרוב מאוד למטרה הזו".