新的外科手术可以更好地控制假肢

在大多数截肢手术中，控制受影响关节(如肘关节或脚踝)的肌肉对被切断。然而，麻省理工学院的研究小组发现，重新连接这些肌肉对，让它们保持正常的推拉关系，为人们提供更好的感官反馈。

“我们的研究和之前的研究都表明，患者动态运动肌肉的能力越强，他们的控制力就越强。例如，一个人越能更好地激活肌肉来移动他们的虚拟脚踝，他们就越能更好地使用他们的义肢这项研究的主要作者、麻省理工学院博士后什里亚·斯里尼瓦桑说。

在本周《美国国家科学院院刊》上发表的一项研究中，15名接受这种新型手术的患者，被称为激动剂-拮抗剂肌神经界面(AMI)，可以比传统截肢的患者更精确地控制他们的肌肉。急性心肌梗死患者还报告说，他们感到活动更加自由，患肢疼痛减轻。

“通过手术和再生技术，恢复自然的激动剂-拮抗剂肌肉运动，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，义肢的可控性保真度提高。”媒体艺术与科学教授、媒体实验室生物机电组负责人、该论文的资深作者休·赫尔说。

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研究生;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);以及媒体实验室研究科学家丽莎·弗里德。

恢复知觉

大多数控制肢体运动的肌肉成对出现，交替拉伸和收缩。激动剂-拮抗剂对的一个例子是肱二头肌和肱三头肌。当你弯曲肘部时，肱二头肌收缩，导致肱三头肌拉伸，这种拉伸将感觉信息发送回大脑。

在传统的截肢手术中，这些肌肉运动受到限制，切断了这种感觉反馈，使截肢者更难感受到他们的假肢在空间中的位置或感受到施加在这些四肢上的力。

“当一块肌肉收缩时，另一块肌肉就没有拮抗剂活动，所以大脑会收到混乱的信号。”斯里尼瓦桑说，他曾是生物机电学小组的成员，目前在麻省理工学院科赫综合癌症研究所工作。“即使有最先进的假肢，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地方。”

几年前，麻省理工学院生物机电组发明并科学开发了临床前研究一种新的截肢技术可以维持这些肌肉对之间的关系。它们不是切断每一块肌肉，而是连接肌肉的两端，这样它们在残肢内仍能动态地相互交流。在2017年大鼠研究他们发现，当动物收缩其中一块肌肉时，另一块肌肉就会拉伸，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，由卡蒂执行，她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名在膝盖以下进行AMI截肢手术的患者的脚踝和距下关节肌肉运动的精度。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，距下关节允许脚底向内或向外倾斜。该研究将这些患者与7名膝盖以下接受传统截肢手术的患者进行了比较。

每位患者都躺着，双腿支在泡沫枕头上，让他们的脚伸展到空中。在研究过程中，患者没有佩戴假肢。研究人员要求他们弯曲自己的踝关节——包括完整的那个和“幻影”的那个——以他们整个活动范围的25%、50%、75%或100%。在每条腿上安装电极，研究人员可以在重复做每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和完整肢体肌肉的电信号，发现对于AMI患者来说，它们非常相似。他们还发现，AMI截肢患者能够比传统截肢患者更精确地控制被截肢肢体的肌肉。接受传统截肢手术的患者更有可能在被截肢的肢体上反复做同样的动作，无论他们被要求弯曲脚踝的距离有多远。

“AMI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。

在一个纸最近发表在《科学转化医学》上的一篇文章中，研究人员报告说，对AMI截肢患者的脑部扫描显示，他们比传统截肢患者从剩余肌肉中获得了更多的感官反馈。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能在行走时更好地控制义肢。

行动自由

研究人员还发现了一种他们没有预料到的效果:AMI患者报告说，他们截肢的四肢疼痛减轻了很多，活动自由的感觉更强了。

“我们的研究并不是专门为了实现这一点而设计的，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是如何在空间中移动的有更强的感觉。”Srinivasan说。“越来越明显的是，让肌肉恢复到正常的生理机能不仅有利于假肢的控制，也有利于他们日常的精神健康。”

该研究小组还开发了一种改良版的手术，可以在已经做过传统截肢手术的人身上进行。这个过程，他们称之为“再生AMI”，包括移植小肌肉片段作为被截肢关节的激动剂和拮抗剂肌肉。他们还致力于为其他类型的截肢开发AMI程序，包括膝盖以上肘部上下。

“我们了解到，这种重新连接肢体，使用备用零件重建肢体的技术正在起作用，而且适用于身体的各个部位。”赫尔说。

这项研究由麻省理工学院媒体实验室财团、国家儿童健康和人类发展研究所、国家医疗康复研究中心和美国国防部国会指导的医学研究项目资助。