新的外科手术可以更好地控制假肢

麻省理工学院的研究人员发明了一种新型截肢手术，可以帮助被截肢者更好地控制剩余的肌肉，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可以转化为更好地控制假肢，以及减少肢体疼痛。

在大多数截肢中，肌肉对受影响的关节（例如肘部或脚踝）的对进行切断。但是，麻省理工学院团队发现重新连接这些肌肉对，让他们保留正常的推拉关系，为人们提供更好感觉反馈。

“我们的研究和以前的研究都表明，患者的肌肉运动能力越强，他们的控制力就越强。例如，一个人越能更好地驱动移动他们的假脚踝的肌肉，他们就越能更好地使用他们的假肢，”麻省理工学院博士后、该研究的主要作者Shriya Srinivasan说。

一项研究将于本周发表在国家科学院的诉讼程序这种被称为“激动剂-拮抗剂肌神经界面(AMI)”的新型手术能够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，他们感到更自由的活动和更少的疼痛肢体。

“通过恢复天然激动剂 - 拮抗肌动作的外科和再生技术，我们的研究表明，具有AMI截肢的人体验更大的幻影关节运动，疼痛水平降低，并且提高了假肢可控性的保证性增加，”惠赫·赫尔（Hugh Herr）媒体实验室的BioMechatronics集团负责人，以及本文的高级作者。

该论文的其他作者包括媒体实验室的高级研究支持助理萨曼莎·古铁雷斯-阿兰戈和艾瑞卡·伊斯雷尔;麻省理工学院本科生邓佳恩(Ashley Chia-En Teng);哈佛-麻省理工学院健康科学与技术项目的研究生Hyungeun Song;媒体实验室前访问研究员扎卡里·贝利(Zachary Bailey);媒体实验室的访问科学家马修·卡蒂(Matthew Carty);以及媒体实验室的研究科学家丽莎·弗里德。

恢复感觉

控制肢体运动的大多数肌肉成对发生，交替伸展和合同。这些激动剂 - 拮抗剂对的一个实例是二头肌和三肌肌。当你弯曲肘部时，肱二头肌肌肉收缩，导致三头肌伸展，并且该拉伸将感官信息发送回大脑。

在传统的截肢手术中，这些肌肉运动是受到限制的，切断了这种感觉反馈，使截肢者更难感觉到他们的义肢在空间中的位置，或感觉施加在这些肢体上的力量。

“当一块肌肉收缩时，另一块肌肉没有其拮抗剂活性，所以大脑得到令人困惑的信号，”斯里尼瓦桑说，他曾是生物力学小组的成员，现在在麻省理工学院科赫综合癌症研究所工作。“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，试图根据设备的移动方向校准大脑。”

几年前，麻省理工学院(MIT)的生物力学小组发明了一种新的截肢技术，并在临床前研究中进行了科学开发，这种技术可以保持这些肌肉对之间的关系。它们不是切断每一块肌肉，而是连接肌肉的两端，这样它们在残肢内仍然可以动态地相互交流。在2017年的一项针对老鼠的研究中，他们发现，当老鼠收缩其中一块肌肉时，另一块肌肉会拉伸，并将感觉信息传回大脑。

自从这些临床前研究以来，大约有25人在布里格姆妇女医院接受了AMI手术，由卡蒂进行，她也是布里格姆妇女医院的整形外科医生。在PNAS的新研究中，研究人员测量了15名膝盖以下AMI截肢患者的踝关节和距下关节肌肉运动的精确性。这些患者在截肢过程中有两组肌肉重新连接:一组控制踝关节的肌肉，另一组控制距下关节的肌肉，后者允许脚底向内或向外倾斜。该研究将这些患者与7名传统的膝盖以下截肢患者进行了比较。

每个病人都躺下，腿支在一个泡沫枕头上，让他们的脚向空中伸展。患者在研究过程中没有佩戴义肢。研究人员要求他们将踝关节——包括完好的和“幻肢”的关节——弯曲25、50、75或100%。每条腿上都安装了电极，研究人员可以在重复每一个动作时测量特定肌肉的活动。

研究人员比较了来自截肢肢体肌肉的电信号和来自完好肢体的电信号，发现AMI患者的电信号非常相似。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被截肢肢体的肌肉。传统截肢患者更有可能在被截肢的肢体上反复进行相同的运动，无论他们被要求弯曲脚踝的距离有多远。

“急性心肌梗死患者控制这些肌肉的能力比那些典型的截肢患者要直观得多，这很大程度上与他们的大脑处理这些肌肉的方式有关。幻影肢体正在搬家，“斯里丁丹说。

最近发表在科学翻译医学，研究人员报告说，AMI截肢患者的脑部扫描显示，与传统截肢患者相比，他们从剩余的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行走时更好地控制假肢。

自由的运动

研究人员还发现了一种他们没有预料到的效果:AMI患者报告的疼痛要少得多，他们被截肢的肢体有更大的活动自由感。

“我们的研究并不是专门为此而设计的，但这是我们的实验对象反复表达的一种情绪。”他们对自己的脚到底是什么感觉以及它是如何在空间中移动有了更强烈的感觉，”斯里尼瓦桑说。“越来越明显的是，让肌肉恢复到正常生理状态不仅对假肢控制有好处，而且对他们日常的精神健康也有好处。”

研究团队还开发了一种改良版的手术，可以在已经有传统手术的人身上进行截肢。他们称之为“再生AMI”的过程涉及嫁接小肌肉片段，用作截肢关节的激动剂和拮抗肌。他们还在努力开发其他类型截肢的AMI程序，包括膝盖以上和肘部的上方。

“我们正在学习这种重新推动肢体的这种技术，以及使用备件重建肢体，正在工作，它适用于身体的各个部位，”Herr说。

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