باحثون يطورون طرفًا اصطناعيًا يتم التحكم فيه عن طريق الدماغ للأشخاص الذين يعانون من بتر الساق

قال هيونجيون سونج، المؤلف الأول للدراسة وباحث ما بعد الدكتوراه في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا: “لقد تمكنا من إظهار أول سيطرة عصبية كاملة على المشي الاصطناعي”.

تعتمد أغلب الأطراف الصناعية الصناعية الحديثة على أوامر آلية مبرمجة مسبقًا بدلاً من إشارات دماغ المستخدم. تستطيع التقنيات الآلية المتقدمة استشعار البيئة وتنشيط حركة ساق محددة مسبقًا بشكل متكرر لمساعدة الشخص على التنقل عبر هذا النوع من التضاريس.

ولكن العديد من هذه الروبوتات تعمل بشكل أفضل على أرض مستوية وتواجه صعوبة في تجاوز العقبات الشائعة مثل المطبات أو البرك. وغالبًا ما لا يكون للشخص الذي يرتدي الطرف الاصطناعي أي رأي في تعديل الطرف الاصطناعي بمجرد تحريكه، وخاصة استجابة للتغيرات المفاجئة في التضاريس.

قال هيو هير، الباحث الرئيسي في الدراسة وأستاذ الفنون والعلوم الإعلامية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ورائد في مجال الميكاترونيات الحيوية، وهو مجال يدمج علم الأحياء مع الإلكترونيات والميكانيكا: “عندما أمشي، أشعر وكأن شخصًا يمشيني لأن خوارزمية ترسل أوامر إلى محرك، وأنا لا أفعل ذلك”. تم بتر ساقي هير من أسفل الركبة قبل عدة سنوات بسبب قضمة الصقيع، ويستخدم أطرافًا صناعية روبوتية متقدمة.

“هناك مجموعة متزايدة من الأدلة [showing] وأضاف هير: “عندما تقوم بربط الدماغ بطرف اصطناعي ميكاتروني، يحدث تجسيد حيث ينظر الفرد إلى الطرف الاصطناعي باعتباره امتدادًا طبيعيًا لجسمه”.

عمل المؤلفون مع 14 مشاركًا في الدراسة، نصفهم تلقوا عمليات بتر أسفل الركبة من خلال نهج يُعرف باسم واجهة Myoneural Interface (AMI) بين المناهض والمضاد، بينما خضع النصف الآخر لعمليات بتر تقليدية.

قال كونور والش، أستاذ في كلية الهندسة والعلوم التطبيقية بجامعة هارفارد، والذي يتخصص في تطوير الروبوتات المساعدة القابلة للارتداء ولم يشارك في الدراسة: “الأمر الرائع للغاية في هذا الأمر هو كيفية الاستفادة من الابتكار الجراحي جنبًا إلى جنب مع الابتكار التكنولوجي”.

تم تطوير عملية بتر AMI لمعالجة القيود التي تواجه جراحة بتر الساق التقليدية، والتي تقطع اتصالات عضلية مهمة في موقع البتر.

تصبح الحركات ممكنة من خلال الطريقة التي تعمل بها العضلات في أزواج. حيث تنقبض إحدى العضلات – المعروفة باسم العضلة المحفزة – لتحريك أحد الأطراف، وتستطيل عضلة أخرى – المعروفة باسم العضلة المضادة – استجابة لذلك. على سبيل المثال، أثناء تمرين ثني العضلة ذات الرأسين، تكون العضلة ذات الرأسين هي العضلة المحفزة لأنها تنقبض لرفع الساعد لأعلى، في حين تكون العضلة ثلاثية الرؤوس هي العضلة المضادة لأنها تطول لتمكين الحركة.

عندما يؤدي البتر الجراحي إلى قطع أزواج العضلات، فإن قدرة المريض على الشعور بانقباضات العضلات بعد الجراحة تتأثر، وهذا يؤثر سلباً على قدرته على الاستشعار الدقيق والجيد لمكان وجود الطرف الاصطناعي في الفضاء.

في المقابل، تعمل عملية AMI على إعادة توصيل العضلات في الطرف المتبقي لتكرار التغذية الراجعة العضلية القيمة التي يحصل عليها الشخص من الطرف السليم.

وقال إريك رومبوكاس، الأستاذ المساعد في الهندسة الميكانيكية بجامعة واشنطن والذي لم يشارك في الدراسة، إن الدراسة “جزء من حركة الجيل القادم من تقنيات الأطراف الاصطناعية التي تعالج الإحساس وليس الحركة فقط”.

تمت تسمية إجراء AMI لبتر أسفل الركبة باسم بتر إيوينج بعد جيم إيوينج، أول شخص يخضع لهذا الإجراء، في عام 2016.

لقد عانى المرضى الذين خضعوا لجراحة بتر يوينج من ضمور عضلي أقل في الطرف المتبقي وألم وهمي أقل – وهو الإحساس بعدم الراحة في الطرف الذي لم يعد موجودًا.

قام الباحثون بتزويد جميع المشاركين بأطراف صناعية جديدة تتكون من كاحل اصطناعي، وجهاز يقيس النشاط الكهربائي من حركة العضلات وأقطاب كهربائية توضع على سطح الجلد.

يرسل المخ نبضات كهربائية إلى العضلات، مما يؤدي إلى انقباضها. تنتج الانقباضات إشارات كهربائية خاصة بها، يتم اكتشافها بواسطة الأقطاب الكهربائية وإرسالها إلى أجهزة كمبيوتر صغيرة مثبتة في الطرف الاصطناعي. ثم تقوم أجهزة الكمبيوتر بتحويل هذه الإشارات الكهربائية إلى قوة وحركة للطرف الاصطناعي.

قالت إيمي بيترافيتا، إحدى المشاركات في الدراسة التي خضعت لعملية بتر يوينغ بعد إصابتها بحروق شديدة، إن الطرف الاصطناعي منحها القدرة على توجيه كلتا قدميها وأداء حركات الرقص مرة أخرى.

قال بيترافيتا: “إن القدرة على الحصول على هذا النوع من الانحناء جعلت الأمر أكثر واقعية، وشعرت وكأن كل شيء موجود هناك”.

بفضل أحاسيس العضلات المحسنة، تمكن المشاركون الذين خضعوا لجراحة بتر يوينغ من استخدام أطرافهم الاصطناعية للمشي بشكل أسرع وبطريقة أكثر طبيعية من أولئك الذين خضعوا لجراحة بتر تقليدية.

عندما يتعين على الشخص أن ينحرف عن أنماط المشي الطبيعية، فإنه عادة ما يتعين عليه أن يبذل جهدًا أكبر للتنقل.

قال ماثيو جيه كارتي، جراح التجميل الترميمي في مستشفى بريغهام والنساء وأول طبيب يجري عملية احتشاء عضلة القلب: “إن هذا الإنفاق من الطاقة … يتسبب في عمل قلبنا بجهد أكبر ورئتينا بجهد أكبر … ويمكن أن يؤدي إلى تدمير تدريجي لمفاصل الورك أو العمود الفقري السفلي”.

كما تمكن المرضى الذين خضعوا لبتر يوينج والطرف الاصطناعي الجديد من التنقل بسهولة على المنحدرات والسلالم. فقد تمكنوا من ضبط أقدامهم بسلاسة لدفع أنفسهم إلى أعلى السلالم وامتصاص الصدمات أثناء النزول.

ويأمل الباحثون أن يصبح الطرف الاصطناعي الجديد متاحا تجاريا خلال السنوات الخمس المقبلة.

وقال هير “لقد بدأنا نلقي نظرة خاطفة على هذا المستقبل المجيد حيث يمكن لأي شخص أن يفقد جزءًا كبيرًا من جسده، وهناك تقنية متاحة لإعادة بناء هذا الجانب من جسده إلى وظيفته الكاملة”.