Активация эффективных функциональных движений рук у людей с полной тетраплегией посредством нейронной стимуляции

Том 12 научных отчетов, номер статьи: 16189 (2022) Цитировать эту статью

2433 Доступа

1 Цитаты

35 Альтметрика

Подробности о метриках

Люди с полным повреждением шейного отдела спинного мозга страдают от постоянного паралича верхних конечностей, который не позволяет им выполнять большую часть повседневной деятельности. Мы разработали нейропротезное решение для восстановления двигательной функции руки. Электрическая стимуляция лучевого и срединного нервов с помощью двух эпиневральных электродов позволила обеспечить функциональные движения парализованных рук. У двух участников с полной тетраплегией мы продемонстрировали, что избирательная стимуляция нервных пучков посредством оптимизированного распространения тока по активным контактам многоконтактных эпиневральных электродов вызывает функциональные и мощные хватательные движения, которые остаются стабильными в течение 28 дней после имплантации. Мы также показали, что участники смогли вызвать активацию движений своей парализованной конечности с помощью интуитивного интерфейса, управляемого произвольными действиями, и что они были способны выполнять полезные функциональные движения, такие как держать банку и пить через соломинку.

Заболеваемость травмами спинного мозга (ТСМ) в Западной Европе и США оценивается в 16 и 40 случаев на миллион соответственно1. ТСМ могут оказать разрушительное воздействие на здоровье, автономность и качество жизни пациентов. Технические средства (например, моторизованные инвалидные коляски, ортезы, медицинские электрические кровати, переносные доски, домашняя автоматизация и т. д.) могут восстановить некоторую независимость людей с тетраплегией, но восстановление функций верхних конечностей по-прежнему остается приоритетом для функционального восстановления, о котором говорят пациенты2,3, 4,5,6. Действительно, большая часть повседневной деятельности осуществляется посредством движений рук, и поэтому восстановление активных двигательных навыков предплечья, кисти и запястья позволит обеспечить большую автономию и, следовательно, повысить качество жизни. Из-за отсутствия решений по восстановлению спинного мозга сегодня доступны лишь частичные ответы. Таким образом, мы предложили революционную инновацию, основанную на избирательной нейронной стимуляции, которая на сегодняшний день является первой, вызывающей синергические движения рук только с одним электродом на срединном нерве и одним электродом на лучевом нерве. Действительно, другие подходы предоставляют либо частичные, либо гораздо более громоздкие решения. Функциональная хирургия широко используется7,8, а в последнее время предпринимаются попытки переноса нервов для реиннервации парализованных мышц с целью восстановления произвольного контроля над рукой9,10. Однако оба метода требуют достаточного количества мышц или нервов, которые все еще находятся под произвольным контролем. Перенесенные мышцы и оставшиеся мышцы-агонисты также должны быть достаточно сильными, чтобы обеспечить эффективное восстановление11,12. Таким образом, часть населения с тетраплегией не подходит для традиционной функциональной хирургии. Альтернативой является использование технических средств, основанных на функциональной электростимуляции (ФЭС) или ортезах13.

Только ФЭС, имплантированная или внешняя, может быть эффективно использована при условии, что субпораженные парализованные мышцы все еще иннервируются интактными мотонейронами14. Об одном из первых применений ФЭС для восстановления движений рук сообщили Кэттон и Бэкхаус в 1954 году. Впоследствии ФЭС применялась для восстановления хватательных движений у пациентов с высокой тетраплегией уже в 1963 году15,16,17. В этих устройствах использовались внутримышечные или эпимизиальные электроды, поэтому для каждой мышцы, участвующей в целевом движении, требовалось по одному электроду. Неинвазивная поверхностная ФЭС также может обеспечить движения рук, но с ограниченным доступом к глубоким мышцам или мышцам, относящимся к большому пальцу (например, короткая отводящая мышца). Поверхностные электроды требуют точного размещения изо дня в день для достижения надежных функциональных движений без повторной калибровки. Наконец, размещение поверхностного электрода зависит от относительных движений кожи. Чтобы частично преодолеть эти проблемы, было предложено закрепить электроды на одежде14. Однако большинство внешних устройств ФЭС не удалось использовать в больших масштабах из-за жесткости одежды, отсутствия персонализации или ограничения группами, которые были либо неполными, либо с контролем запястья18. Таким образом, эти устройства скорее используются для реабилитации и укрепления14 без новых устройств, как сообщалось в недавнем обзоре19. Поверхностные электродные массивы20,21 могут обеспечить более гибкий и более широкий набор функциональных движений, но в их нынешнем виде они явно ограничены лабораторным использованием, поскольку требуют ежедневной калибровки под наблюдением опытного физиотерапевта. Ajiboye и соавт.22 также предоставили богатый набор движений, но с помощью высокоинвазивного чрескожного набора электродов (№ 36), который вряд ли можно было применить в широкой клинической практике. Как внешние, так и чрескожные устройства очень ограничены с точки зрения приемлемости, безопасности и эффективности и поэтому не используются пациентами в повседневной жизни, даже несмотря на то, что может быть достигнут богатый набор движений. Единственным широко используемым успешным устройством, которое было предложено, было FreeHand®: более 250 пациентам23 оно было успешно имплантировано с очевидными преимуществами, что доказывает интерес к такому технологическому решению для восстановления движений рук24. Для активации различных задач рук было имплантировано до 12 мышечных электродов. В версии исследования была предпринята попытка заменить несколько мышечных электродов одним нейронным 4-контактным электродом25. Во время интраоперационного острого тестирования в рамках плановой операции результаты по селективности оставались ограниченными из-за принятого подхода, основанного на монополярном сканировании различных контактов электродов. Та же команда попробовала на двух пациентах использовать эпиневральные электроды, чтобы активировать большее количество движений во всей верхней конечности. Действительно, к внутримышечным электродам было добавлено 6 эпиневральных электродов (14 у пациента 1 и 15 у пациента 2), что привело к очень громоздкой установке с двумя имплантированными генераторами импульсов26. Тем не менее, они дополнительно протестировали упрощенную парадигму управляющего тока с эпиневральным электродом и показали стабильность и повышенную селективность по сравнению с внутримышечной стимуляцией27.