Потенциал технологий нейронного интерфейса в управлении протезированием нижних конечностей

Инвазивные имплантаты, особенно помещенные в мозг, несут риски инфекции, кровоизлияния и хронического воспаления. Для приложений нижних конечностей размещение электродов в периферических нервах бедра или теленка, как правило, безопаснее, чем операция на головном мозге, но все же связано с рисками повреждения нервов, миграции электродов и инфекции на месте имплантации. Кроме того, имплантированная электроника должна быть герметично закрыта, чтобы выжить во влажной ионной среде тела. Прогресс в гибкой гибридной электронике позволил исследователям создать ультратонкие, изгибаемые цепи, которые соответствуют нервным пучкам, минимизируя механическое несоответствие и уменьшая иммунный ответ. Университет Калифорнии, Сан-Франциско разработал платформу «нейронной пыли» — беспроводные датчики миллиметрового масштаба, которые могут быть посыпаны вдоль нерва и общаться с внешним ультразвуковым преобразователем. Этот подход резко снижает хирургическое бремя, поскольку дат

Интеграция сенсорной обратной связи

Протез ноги, который только получает двигательные команды от мозга, но не обеспечивает сенсорную обратную связь, сродни ходьбе в темноте. Естественная походка зависит от непрерывной информации от механорецепторов в коже, мышечных веретенах и капсуле сустава. Без этой обратной связи пользователи должны полагаться на визуальный вход, чтобы направлять каждый шаг, что изнурительно и подвержено ошибкам. Исследователи добились значительного прогресса в би-направленных нейронных интерфейсах , которые не только читают двигательные команды, но и обеспечивают электрическую стимуляцию афферентных нервов, создавая ощущение прикосновения и давления от протезной конечности. Например, стимулируя тибиальный нерв на определенных частотах и амплитудах, пользователи могут чувствовать ощущения, такие как «удар каблука», «давление средней точки» и «выключение пальца», позволяя им ходить более естественно с меньшим когнитивным нагрузкой. Задача заключается в доставке этой обратной связи с высоким разрешением и без причинения боли или парестезии. Недавние

Последствия для реабилитации и качества жизни

Восстановление естественной походки и снижение риска падения

Наиболее непосредственное преимущество нейроуправляемых протезов - восстановление более естественной, энергоэффективной походки. Традиционные протезы ног заставляют пользователей компенсировать их неповрежденную конечность и туловище, что приводит к асимметричной нагрузке, боли в спине и повышенному риску дегенеративного заболевания суставов. Нейронные интерфейсы, позволяя осуществлять прямой, интуитивный контроль, могут перестроить биомеханику пользователя. Клинические исследования, измеряющие силы реакции земли, кинематику суставов и мышечную активность, показывают, что нейронная контролируемая ходьба уменьшает наклон таза и походы на бедра, приближая рисунок походки к неампутным ходункам. Кроме того, поскольку интерфейс может регулировать жесткость протезного сустава и демпфирование в реальном времени на основе нейронных команд, пользователи могут быстрее реагировать на возмущения - такие как скольжение или поездка - тем самым снижая риск падения, что является основным страхом для ампутированных.

Когнитивная нагрузка и обучение

Одним из недооцененных аспектов использования ненейронного протеза ноги является огромная когнитивная нагрузка, которую он накладывает. Пользователи должны постоянно планировать и контролировать каждый шаг, сознательно привлекая мышцы и сдвигая вес. Это может быть умственно изнурительным, ограничивая способность эффективно выполнять многозадачность. Нейронные интерфейсы обещают перегрузить большую часть этого контроля на подсознательные нейронные пути. Ранние отзывы пользователей от пилотных исследований показывают, что как только начальный период обучения заканчивается (обычно несколько недель), использование нейронного протеза становится «бесполезным», освобождая внимание для других задач, таких как разговор, избегая препятствий или навигации в сложных средах. Это имеет глубокие последствия для социального участия и психического здоровья. В 2022 опрос ампутантов нижних конечностей с использованием исследовательской системы BCI , 84% сообщили о значительном улучшении их воспринимаемой способности ходить и исследовать свое сообщество, и 70% сообщили о снижении психологического напряжения ходьбы.

Психологические и социальные преимущества

Помимо мобильности, протезы нейронного интерфейса могут влиять на образ тела и самоидентификацию. Многие ампутанты описывают чувство, оторванное от их протезной конечности — это внешний инструмент, а не их часть. Восстанавливая прямую нейронную связь, протезная нога становится более интегрированной в схему тела пользователя. Участники исследований нейронного контроля часто выражают, что они начинают «чувствовать» протез как свою собственную ногу. Это чувство собственности может уменьшить фантомную боль в конечности, улучшить настроение и повысить общую удовлетворенность жизнью. Кроме того, способность контролировать конечность естественным образом снижает стигму, связанную с видимыми механическими протезами; пользователи могут ходить без контрольных колебаний или необычной походки, которая часто привлекает нежелательное внимание.

Будущее: к полной интеграции нейронов

В ближайшие пять-десять лет, вероятно, появятся первые одобренные FDA нейроуправляемые протезы нижних конечностей. Исследователи в настоящее время работают над интеллектуальными протезами с замкнутым контуром, которые объединяют нейронные сигналы с данными от инерциальных измерительных блоков, датчиков силы и камер для создания целостной системы принятия решений. Алгоритмы машинного обучения не только декодируют намерение пользователя, но и предвидят предстоящие изменения местности — например, обнаружение лестницы впереди и автоматическая настройка импеданса сустава. Кроме того, достижения в искусственной проприоцепции позволят протезу отправлять информацию о угле сустава, скорости и соответствии земле, создавая двунаправленную петлю обратной связи, которая кажется совершенно естественной.