在截肢期間重新連接肌肉對(duì)可以為患者提供更多來自肢體的感覺反饋。麻省理工學(xué)院的研究人員發(fā)明了一種新型截肢手術(shù)，可以幫助截肢者更好地控制殘余肌肉并感知他們的“幻肢”在太空中的位置。研究人員說，這種恢復(fù)的本體感覺應(yīng)該轉(zhuǎn)化為更好地控制假肢，以及減輕肢體疼痛。

在大多數(shù)截肢中，控制受影響關(guān)節(jié)(例如肘部或腳踝)的肌肉對(duì)被切斷。然而，麻省理工學(xué)院的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，重新連接這些肌肉對(duì)，讓它們保持正常的推拉關(guān)系，可以為人們提供更好的感官反饋。

麻省理工學(xué)院的研究人員與哈佛醫(yī)學(xué)院的外科醫(yī)生合作設(shè)計(jì)了一種新型截肢手術(shù)，可以幫助截肢者更好地控制殘余肌肉并獲得感官反饋。研究人員/麻省理工學(xué)院的插圖

“我們的研究和之前的研究都表明，患者能夠更好地動(dòng)態(tài)移動(dòng)他們的肌肉，他們將擁有更多的控制權(quán)。例如，一個(gè)人能夠更好地驅(qū)動(dòng)肌肉移動(dòng)他們的幻肢腳踝，他們實(shí)際上能夠更好地使用他們的假肢，”麻省理工學(xué)院博士后和該研究的主要作者 Shriya Srinivasan 說。

在一項(xiàng)將出現(xiàn)在美國國家科學(xué)院院刊上的研究中，15 名接受這種被稱為激動(dòng)劑-拮抗劑肌神經(jīng)接口 (AMI) 的新型手術(shù)的患者可以比傳統(tǒng)截肢患者更精確地控制他們的肌肉。AMI 患者還報(bào)告說，他們受影響的肢體感覺更自由，疼痛更少。

“通過恢復(fù)自然激動(dòng)劑 - 拮抗劑肌肉運(yùn)動(dòng)的手術(shù)和再生技術(shù)，我們的研究表明，AMI 截肢患者的幻肢關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍更大，疼痛程度降低，假肢可控性的保真度增加，”說Hugh Herr，媒體藝術(shù)與科學(xué)教授，媒體實(shí)驗(yàn)室生物機(jī)電一體化小組負(fù)責(zé)人，該論文的資深作者。

該論文的其他作者包括媒體實(shí)驗(yàn)室的高級(jí)研究支持助理 Samantha Gutierrez-Arango 和 Erica Israel;Ashley Chia-En Teng，麻省理工學(xué)院本科生;Hyungeun Song，哈佛-麻省理工學(xué)院健康科學(xué)與技術(shù)項(xiàng)目的研究生;Zachary Bailey，媒體實(shí)驗(yàn)室前訪問研究員;媒體實(shí)驗(yàn)室訪問科學(xué)家馬修·卡蒂;和媒體實(shí)驗(yàn)室研究科學(xué)家 Lisa Freed。

恢復(fù)感覺

大多數(shù)控制肢體運(yùn)動(dòng)的肌肉成對(duì)出現(xiàn)，交替伸展和收縮。這些激動(dòng)劑-拮抗劑對(duì)的一個(gè)例子是二頭肌和三頭肌。當(dāng)你彎曲肘部時(shí)，二頭肌收縮，導(dǎo)致三頭肌伸展，而這種伸展會(huì)將感覺信息發(fā)送回大腦。

在傳統(tǒng)的截肢過程中，這些肌肉運(yùn)動(dòng)受到限制，切斷了這種感覺反饋，使截肢者更難感覺到假肢在空間中的位置或感知施加到這些肢體上的力。

“當(dāng)一條肌肉收縮時(shí)，另一條沒有拮抗劑活動(dòng)，因此大腦會(huì)收到令人困惑的信號(hào)，”現(xiàn)在在麻省理工學(xué)院科赫綜合癌癥研究所工作的生物機(jī)電一體化小組的前成員 Srinivasan 說。“即使使用最先進(jìn)的假肢，人們也會(huì)不斷地在視覺上跟隨假肢，試圖將他們的大腦校準(zhǔn)到設(shè)備移動(dòng)的位置。”

幾年前，麻省理工學(xué)院生物機(jī)電一體化小組在臨床前研究中發(fā)明并科學(xué)開發(fā)了 一種新的截肢技術(shù)，可以維持這些肌肉對(duì)之間的關(guān)??系。它們不是切斷每塊肌肉，而是將肌肉的兩端連接起來，這樣它們?cè)跉堉珒?nèi)仍然可以動(dòng)態(tài)地相互交流。在 2017 年對(duì)老鼠的一項(xiàng)研究中，他們表明，當(dāng)動(dòng)物收縮一對(duì)肌肉時(shí)，另一塊 肌肉會(huì)伸展并將感覺信息發(fā)送回大腦。

自這些臨床前研究以來，約有 25 人在布里格姆婦女醫(yī)院接受了 AMI 手術(shù)，該手術(shù)由 Carty 進(jìn)行，Carty 也是布里格姆婦女醫(yī)院的整形外科醫(yī)生。在新的 PNAS 研究中，研究人員測(cè)量了 15 名膝關(guān)節(jié)以下 AMI 截肢患者的踝關(guān)節(jié)和距下關(guān)節(jié)肌肉運(yùn)動(dòng)的精確度。這些患者在截肢期間有兩組肌肉重新連接：控制腳踝的肌肉和控制距下關(guān)節(jié)的肌肉，使腳底向內(nèi)或向外傾斜。該研究將這些患者與 7 名進(jìn)行膝蓋以下傳統(tǒng)截肢的患者進(jìn)行了比較。

每位患者都在躺下時(shí)接受評(píng)估，雙腿支撐在泡沫枕頭上，讓他們的腳伸向空中。患者在研究期間沒有佩戴假肢。研究人員要求他們彎曲他們的踝關(guān)節(jié)——完整的和“幻影”的——以他們完整運(yùn)動(dòng)范圍的 25%、50%、75% 或 100%。連接到每條腿的電極使研究人員能夠在重復(fù)執(zhí)行每個(gè)動(dòng)作時(shí)測(cè)量特定肌肉的活動(dòng)。

研究人員將來自截肢肢體肌肉的電信號(hào)與來自完整肢體的電信號(hào)進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)對(duì)于 AMI 患者，它們非常相似。他們還發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)截肢患者相比，AMI 截肢患者能夠更精確地控制截肢肢體的肌肉。傳統(tǒng)截肢的患者更有可能在截肢的肢體上一遍又一遍地執(zhí)行相同的運(yùn)動(dòng)，無論他們被要求彎曲腳踝多遠(yuǎn)。

“與典型截肢患者相比，AMI 患者控制這些肌肉的能力要直觀得多，這在很大程度上與他們的大腦處理幻肢運(yùn)動(dòng)的方式有關(guān)，”Srinivasan 說。

在 最近發(fā)表在《科學(xué)轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)》上的 一篇論文中 ，研究人員報(bào)告說，對(duì) AMI 截肢者的腦部掃描顯示，與傳統(tǒng)截肢患者相比，他們從殘余肌肉中獲得了更多的感覺反饋。在目前正在進(jìn)行的工作中，研究人員正在測(cè)量這種能力是否可以轉(zhuǎn)化為在步行時(shí)更好地控制假腿。

行動(dòng)自由

研究人員還發(fā)現(xiàn)了一個(gè)他們沒有預(yù)料到的效果：AMI 患者報(bào)告說，他們截肢的肢體疼痛減輕了很多，運(yùn)動(dòng)自由感增強(qiáng)了。

“我們的研究并不是專門為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)而設(shè)計(jì)的，但這是我們的受試者反復(fù)表達(dá)的一種情緒。他們對(duì)自己的腳的實(shí)際感覺以及它在空間中的移動(dòng)方式有了更大的感覺，”Srinivasan 說。“越來越明顯的是，將肌肉恢復(fù)到正常生理機(jī)能不僅對(duì)假肢控制有益，而且對(duì)他們的日常心理健康也有好處。”

研究小組還開發(fā)了一種改良版的手術(shù)，可以對(duì)已經(jīng)接受過傳統(tǒng)截肢的人進(jìn)行。這個(gè)過程，他們稱之為“再生性 AMI”，涉及移植小肌肉段作為截肢關(guān)節(jié)的主動(dòng)肌和拮抗肌。他們還致力于為其他類型的截肢開發(fā) AMI 程序，包括 膝蓋 上方和肘部上方和下方。

“我們了解到，這種重新連接肢體并使用備件重建肢體的技術(shù)正在發(fā)揮作用，并且它適用于身體的各個(gè)部位，”赫爾說。

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