211service.com
Sømløst blander mand og maskine
Et nyt implantat frøet med muskelceller kunne bedre integrere protetiske lemmer med kroppen, hvilket giver amputerede større kontrol over robotvedhæng. Konstruktionen, der er udviklet ved University of Michigan, består af bittesmå kopper, lavet af en elektrisk ledende polymer, der passer på nerveender og tiltrækker de afskårne nerver. Elektriske signaler, der kommer fra nerven, kan derefter oversættes og bruges til at bevæge lemmen.
Levende grænseflade: Muskelceller (vist her) dyrkes på et biologisk stillads. Afskårne nerver, der er tilbage fra det tabte lem, forbinder til muskelcellerne i grænsefladen, som transmitterer elektriske signaler, der kan bruges til at kontrollere den kunstige arm.
Det ser ud til, at det kunne være en elegant måde at kontrollere en protese med fin bevægelse på, siger Rutledge Ellis-Behnke, en videnskabsmand ved MIT, som ikke var involveret i forskningen. I stedet for at have et stort stumt stykke plastik spændt på armen, kunne du faktisk have et integreret værktøj, der føles som om det er en del af kroppen.
I dag er bevægelsen af de fleste proteser anstrengende og begrænset. Lemmerne styres af bevidst bevægelse af resterende muskel - bæreren kan for eksempel trække en brystmuskel sammen for at bevæge armen i en bestemt retning. Ledning af resterende nerver direkte til kunstige lemmer ville give en mere intuitiv måde at kontrollere dem på. Men bestræbelserne på at opbygge perifere nervegrænseflader er i høj grad blevet hæmmet af væksten af arvæv, hvilket begrænser anvendeligheden og holdbarheden af implanterede enheder.
Den mest succesrige metode til at kontrollere en protese til dato er et kirurgisk indgreb, hvor nerver, der tidligere var knyttet til muskler i en tabt arm og hånd, transplanteres ind i brystet. Når bæreren tænker på at flytte hånden, trækker brystmusklerne sig sammen, og disse signaler bruges til at kontrollere lemmen. Selvom det er en stor forbedring i forhold til eksisterende metoder, giver denne tilgang stadig et begrænset niveau af kontrol - kun omkring fem nerver kan transplanteres til brystet.
Den nye grænseflade, udviklet af plastikkirurg Paul Cederna og kolleger, bygger på dette koncept ved at bruge transplanterede muskelceller som mål frem for intakte muskler. Efter at et lem er overskåret, fortsætter de nerver, der oprindeligt var knyttet til det, med at spire og søger efter en ny muskel at forbinde med. (Denne biologiske proces kan nogle gange skabe smertefulde sammenfiltringer af nervevæv, kaldet neuromer, i spidsen af det afskårne lem.) Nerven sender konstant signaler nedstrøms for at fortælle hånden, hvad den skal gøre, selvom hånden ikke er der, siger Cederna. Vi kan fortolke disse signaler og bruge dem til at køre en protese.
Grænsefladen består af en lille skållignende struktur omkring en tiendedel af en millimeter i diameter, der er kirurgisk implanteret for enden af nerven, og videresender både motoriske og sensoriske signaler fra nerven til protesen. Inde i koppen er et stillads af biologisk væv frøet med muskelceller - fordi motoriske og sensoriske nerver danner forbindelser til muskler i sundt væv, danner muskelcellerne et naturligt mål for vandrende nerveender. Den afskårne nerve vokser ind i koppen og forbinder til cellerne og transmitterer elektriske signaler fra hjernen. Fordi den er belagt med en elektrisk aktiv polymer, fungerer koppen som en ledning til at opfange elektriske signaler og overføre dem til et robotlem. Cedernas team udvikler ikke selv proteser, men han siger, at signalerne kunne transmitteres via eksisterende trådløs teknologi.
Hidtil har forskere testet grænsefladen hos gnavere med en afskåret perifer nerve, hvilket viser, at nerven vil vokse ind i koppen og danne forbindelser med muskelcellerne. Hvis de kan holde enden af neuronen intakt i det område, er det et stort gennembrud, siger Ellis-Behnke. Nerverne i rotter har omtrent samme størrelse som dem, der ville blive målrettet hos mennesker. Forskningen blev præsenteret i dag på en konference af American College of Surgeons i Chicago.
Enheden kan også føre fornemmelse tilbage til sensoriske nerver, som videresender varme, tryk og anden information fra huden til hjernen. Ligesom motoriske nerver danner sensoriske nerver forbindelser til muskelcellerne i koppen. I gnaverforsøg lukkede forskerne to nerver i et enkelt dyr - en motorisk og en sensorisk. Mens rotten ikke havde en protese, var forskerne i stand til at vise, at implantatet kunne bygge bro over den afskårne nerve og sende neurale beskeder hen over den; kildning af rottens fod udløste muskelcelleaktivitet i implantatet.
Sensorisk kapacitet er en væsentlig manglende komponent i nutidens proteser – taktil, tryk og temperaturfeedback er afgørende for at samle et skrøbeligt æg eller en varm pande op. I sidste ende kunne protetiske lemmer udstyres med varme- eller tryksensorer, der kunne overføre denne information til muskelceller i grænsefladen og tillade, at denne information sendes til hjernen.
Forskningen er stadig i sin tidlige fase, og en række spørgsmål mangler at blive besvaret. Vi skal finde ud af, hvor lang tid det tager for forbindelserne at blive funktionelle, og hvad holdbarheden og robustheden bliver, siger Joseph Pancrazio , en programdirektør ved National Institute for Neurological Disorders and Stroke, som ikke var involveret i forskningen. Men det ser meget spændende ud. Forskningen er finansieret af Forsvarsministeriet.
Et af de største problemer med neurale implantater til dato har været stabiliteten af enhederne, fordi implanterede elektroder ofte bliver belagt med arvæv og holder op med at virke. Indtil videre har der ikke været tegn på ardannelse i de seks måneder, hvor forskerne har vurderet grænsefladerne hos rotter. Selvom forskerne ikke er sikre på hvorfor, kan det være, at koppen beskytter implantatet mod de inflammatoriske reaktioner, der fører til ardannelse, eller at tilvejebringelse af et mål for nervecellerne helt dæmper disse reaktioner ved at genskabe et mere normalt miljø for den afskårne nerve. Forskerne overvåger nu implantaterne på daglig basis for at bestemme deres holdbarhed over tid.
Et særligt lovende tidligt fund er imidlertid, at vævet omkring grænsefladen vokser nye blodkar til at fodre de implanterede muskelceller og forsyne dem med de næringsstoffer, de har brug for for at overleve.
Det er endnu ikke klart, hvor mange af disse nervehætter patienter har brug for for tilstrækkelig kontrol over et sofistikeret kunstigt lem. En person, der har mistet deres arm i skulderhøjde, vil for eksempel have brug for nok nervehætter til at bøje og forlænge albuen, håndleddet og fingrene, såvel som dem til sensoriske nerver. Den eneste grænse, siger Cederna, vil være, hvor højteknologiske de kan lave proteserne.