新手术可以更好地控制假肢

在截肢期间重新连接肌肉对可以为患者提供更多来自肢体的感觉反馈。麻省理工学院的研究人员发明了一种新型截肢手术，可以帮助截肢者更好地控制残余肌肉并感知他们的“幻肢”在太空中的位置。研究人员说，这种恢复的本体感觉应该转化为更好地控制假肢，以及减轻肢体疼痛。

在大多数截肢中，控制受影响关节(例如肘部或脚踝)的肌肉对被切断。然而，麻省理工学院的团队发现，重新连接这些肌肉对，让它们保持正常的推拉关系，可以为人们提供更好的感官反馈。

麻省理工学院的研究人员与哈佛医学院的外科医生合作设计了一种新型截肢手术，可以帮助截肢者更好地控制残余肌肉并获得感官反馈。研究人员/麻省理工学院的插图

“我们的研究和之前的研究都表明，患者能够更好地动态移动他们的肌肉，他们将拥有更多的控制权。例如，一个人能够更好地驱动肌肉移动他们的幻肢脚踝，他们实际上能够更好地使用他们的假肢，”麻省理工学院博士后和该研究的主要作者 Shriya Srinivasan 说。

在一项将出现在美国国家科学院院刊上的研究中，15 名接受这种被称为激动剂-拮抗剂肌神经接口 (AMI) 的新型手术的患者可以比传统截肢患者更精确地控制他们的肌肉。AMI 患者还报告说，他们受影响的肢体感觉更自由，疼痛更少。

“通过恢复自然激动剂 - 拮抗剂肌肉运动的手术和再生技术，我们的研究表明，AMI 截肢患者的幻肢关节活动范围更大，疼痛程度降低，假肢可控性的保真度增加，”说Hugh Herr，媒体艺术与科学教授，媒体实验室生物机电一体化小组负责人，该论文的资深作者。

该论文的其他作者包括媒体实验室的高级研究支持助理 Samantha Gutierrez-Arango 和 Erica Israel;Ashley Chia-En Teng，麻省理工学院本科生;Hyungeun Song，哈佛-麻省理工学院健康科学与技术项目的研究生;Zachary Bailey，媒体实验室前访问研究员;媒体实验室访问科学家马修·卡蒂;和媒体实验室研究科学家 Lisa Freed。

恢复感觉

大多数控制肢体运动的肌肉成对出现，交替伸展和收缩。这些激动剂-拮抗剂对的一个例子是二头肌和三头肌。当你弯曲肘部时，二头肌收缩，导致三头肌伸展，而这种伸展会将感觉信息发送回大脑。

在传统的截肢过程中，这些肌肉运动受到限制，切断了这种感觉反馈，使截肢者更难感觉到假肢在空间中的位置或感知施加到这些肢体上的力。

“当一条肌肉收缩时，另一条没有拮抗剂活动，因此大脑会收到令人困惑的信号，”现在在麻省理工学院科赫综合癌症研究所工作的生物机电一体化小组的前成员 Srinivasan 说。“即使使用最先进的假肢，人们也会不断地在视觉上跟随假肢，试图将他们的大脑校准到设备移动的位置。”

几年前，麻省理工学院生物机电一体化小组在临床前研究中发明并科学开发了 一种新的截肢技术，可以维持这些肌肉对之间的关​​系。它们不是切断每块肌肉，而是将肌肉的两端连接起来，这样它们在残肢内仍然可以动态地相互交流。在 2017 年对老鼠的一项研究中，他们表明，当动物收缩一对肌肉时，另一块 肌肉会伸展并将感觉信息发送回大脑。

自这些临床前研究以来，约有 25 人在布里格姆妇女医院接受了 AMI 手术，该手术由 Carty 进行，Carty 也是布里格姆妇女医院的整形外科医生。在新的 PNAS 研究中，研究人员测量了 15 名膝关节以下 AMI 截肢患者的踝关节和距下关节肌肉运动的精确度。这些患者在截肢期间有两组肌肉重新连接：控制脚踝的肌肉和控制距下关节的肌肉，使脚底向内或向外倾斜。该研究将这些患者与 7 名进行膝盖以下传统截肢的患者进行了比较。

每位患者都在躺下时接受评估，双腿支撑在泡沫枕头上，让他们的脚伸向空中。患者在研究期间没有佩戴假肢。研究人员要求他们弯曲他们的踝关节——完整的和“幻影”的——以他们完整运动范围的 25%、50%、75% 或 100%。连接到每条腿的电极使研究人员能够在重复执行每个动作时测量特定肌肉的活动。

研究人员将来自截肢肢体肌肉的电信号与来自完整肢体的电信号进行了比较，发现对于 AMI 患者，它们非常相似。他们还发现，与传统截肢患者相比，AMI 截肢患者能够更精确地控制截肢肢体的肌肉。传统截肢的患者更有可能在截肢的肢体上一遍又一遍地执行相同的运动，无论他们被要求弯曲脚踝多远。

“与典型截肢患者相比，AMI 患者控制这些肌肉的能力要直观得多，这在很大程度上与他们的大脑处理幻肢运动的方式有关，”Srinivasan 说。

在 最近发表在《科学转化医学》上的 一篇论文中 ，研究人员报告说，对 AMI 截肢者的脑部扫描显示，与传统截肢患者相比，他们从残余肌肉中获得了更多的感觉反馈。在目前正在进行的工作中，研究人员正在测量这种能力是否可以转化为在步行时更好地控制假腿。

行动自由

研究人员还发现了一个他们没有预料到的效果：AMI 患者报告说，他们截肢的肢体疼痛减轻了很多，运动自由感增强了。

“我们的研究并不是专门为实现这一目标而设计的，但这是我们的受试者反复表达的一种情绪。他们对自己的脚的实际感觉以及它在空间中的移动方式有了更大的感觉，”Srinivasan 说。“越来越明显的是，将肌肉恢复到正常生理机能不仅对假肢控制有益，而且对他们的日常心理健康也有好处。”

研究小组还开发了一种改良版的手术，可以对已经接受过传统截肢的人进行。这个过程，他们称之为“再生性 AMI”，涉及移植小肌肉段作为截肢关节的主动肌和拮抗肌。他们还致力于为其他类型的截肢开发 AMI 程序，包括 膝盖 上方和肘部上方和下方。

“我们了解到，这种重新连接肢体并使用备件重建肢体的技术正在发挥作用，并且它适用于身体的各个部位，”赫尔说。

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