Technologie, kterou představil tým vědců pod vedením Hugha Herra v časopise Nature Medicine, je výsledkem několikaletého výzkumu a dá se považovat za významný pokrok v oblasti neurotechnologií. Základem bionické protézy z MIT je ve spolupráci s Brigham and Women’s Hospital nově vyvinutý chirurgický postup pro opětovné propojení přerušených svalů a nervů, které pak generují elektrické signály. Ty jsou detekovány elektrodami umístěnými na kůži a používány k ovládání protézy nohy. 

Protéza je unikátní právě tím, že u všech sedmi „pokusných“ pacientů zvýšila o 41 procent rychlost chůze pacientů, stejně jako jejich schopnost stoupat do schodů a vyhýbat se překážkám. „Jedná se o první protetickou studii v historii, která ukazuje protézu nohy s plnou nervovou modulací, při níž vzniká biomimetická chůze (tedy chůze za pomoci technologie, jenž napodobuje stavbu a funkčnost tělesných celků u živých organismů). Nikdo doposud nebyl schopen prokázat takovou úroveň mozkové kontroly, která po amputaci vytváří přirozenou chůzi, kdy pohyb řídí vlastní nervový systém a nikoli algoritmus,“ říká v blogu MIT Hugh Herr, hlavní autor nové studie s tím, že po speciálním typu amputace se zkratkou AMI se také u všech pacientů zmírnila bolest a snížila svalová atrofie.

Většina pohybů končetin je řízena dvojicemi svalů, které se střídají v natahování a smršťování. Při obvyklé amputaci nohy pod kolenem je souhra těchto párových svalů narušena. Nervový systém tak jen velmi obtížně vnímá polohu svalu a rychlost jeho kontrakce, což jsou smyslové informace, které jsou pro mozek klíčové při rozhodování, jak končetinou pohybovat. Lidé s tímto typem amputace tak mohou mít podle blogu MIT problémy s ovládáním protézy, protože nemohou přesně vnímat, kde se končetina v prostoru nachází. Místo toho se proto spoléhají pouze na robotické ovladače zabudované do protézy.

Aby se Hugh Herr a jeho kolegové pokusili pomoci lidem dosáhnout přirozené chůze pod plnou kontrolou nervového systému, začali před několika lety vyvíjet operaci AMI vhodnou přímo pro nohu, protože AMI se zatím využívá ve velmi ojedinělých případech amputací ruky. Namísto přerušení přirozené interakce mezi smršťováním a natahováním svalu, spojili operatéři oba konce svalů tak, aby spolu v rámci zbytkové končetiny stále dynamicky komunikovaly. Tuto operaci lze provést během primární amputace nebo lze svaly znovu propojit po primární amputaci v rámci revizního zákroku.

„Při amputačním postupu AMI se snažíme v co největší míře fyziologicky propojit párové svaly, aby člověk po amputaci mohl pohybovat celou fantomovou končetinou s fyziologickou úrovní propriocepce (schopnost nervového systému zaznamenat změny vznikající ve svalech a uvnitř těla pohybem a svalovou činností) a rozsahu pohybu," říká dále Hugh Herr. Ve studii z roku 2021 Herrova laboratoř zjistila, že pacienti, kteří podstoupili tuto operaci, dokázali přesněji ovládat svaly amputované končetiny, a že svaly produkovaly elektrické signály podobné těm z nepoškozené končetiny.

Po těchto povzbudivých výsledcích se výzkumníci rozhodli prozkoumat, zda by tyto elektrické signály mohly generovat příkazy pro protetickou končetinu a zároveň poskytovat uživateli zpětnou vazbu o poloze končetiny v prostoru. Osoba, která nosí protézu, by pak mohla tuto proprioceptivní zpětnou vazbu využít k dobrovolné úpravě chůze podle potřeby. A v nové studii tým MIT zjistil, že tato senzorická zpětná vazba se skutečně promítla do plynulé, téměř přirozené schopnosti chůze a překonávání překážek. 

„Díky neuroprotetickému rozhraní AMI jsme byli schopni tuto funkci posílit a zachovat co nejvíce. Tím se podařilo obnovit nervovou schopnost člověka nepřetržitě a přímo ovládat celou chůzi, a to při různých rychlostech chůze, po schodech, na svazích, dokonce i při přecházení překážek," cituje blog MIT Hyungeun Songa, postdoktoranda z MIT, který je za výzkumný tým hlavním autorem článku v Nature Medicine.

Podle spoluautora Matthewa Cartyho, chirurga z Brigham and Women's Hospital a docenta na Harvard Medical School, je tato práce je dalším krokem k tomu, aby vědci ukázali, co všechno je možné v oblasti obnovy funkčnosti závažně poraněných končetin. „Právě díky spolupráci, jako je tato, jsme schopni dosáhnout transformačního pokroku v péči o pacienty.“ A Hugh Herr k tomu na závěr dodává, že jejich přístup se snaží komplexně propojit lidský mozek s elektromechanikou tak, aby pacient vnímal protézu jako součást svého těla.