在18岁遭遇截肢后，他开发了帮助截肢者正常行走的新技术 | 《自然-医学》

▎药明康德内容团队编辑

▲最新研究帮助截肢患者完全由自身神经系统驱动假肢，表现出更强大的行走能力（图片来源：Hugh Herr and Hyungeun Song）

随着技术的发展，现在的假肢可以帮助截肢者实现自然的行走步态。不过，这些假肢仍不能由用户自己的神经系统完全控制，而是需要依靠预设的机器传感器与控制器来产生仿生运动，利用步态算法移动肢体。

在一项本周发表于《自然-医学》的研究中，麻省理工学院Hugh Herr教授领导的团队利用一种全新的手术设计，打造出完全由自身神经系统驱动的假肢，其不仅帮助患者实现了自然的行走步态，并且在不同路况下的行走速度超过了传统截肢手术。

通常来说，肢体运动由一组轮流舒张与收缩的肌肉控制。传统的截肢手术中，这些成对肌肉的相互作用受到扰动，这使得神经系统很难感知肌肉的位置和收缩速度，因此大脑难以控制他们假肢的运动。

对于这个问题，Herr教授团队的猜想是，当残余肌肉的传入神经信号增强时，对假肢的神经控制能够恢复仿生步态。基于这一思路，他们开始设计一种全新的手术。

传统的截肢手术会切断主动肌（肌肉收缩时，使关节向同一方向运动的肌肉）与拮抗肌（收缩时使关节向相反方向运动的肌肉）的相互作用，而Herr教授提出的神经假肢接口则是将主动肌与拮抗肌相连，使得它们在残肢内也可以实现动态通信。

研究团队将该设计命名为主动肌-拮抗肌神经接口（agonist-antagonist myoneural interface, AMI）手术。AML手术可以在截肢时进行，也可以在初次截肢后作为修复手术的一部分，实现肌肉的重连。

▲实验设计示意图（图片来源：参考资料[1]）

在 2021 年的一篇PNAS论文中，研究团队指出，接受AMI手术的患者能够更精确地控制残肢的肌肉，并且这些肌肉产生的神经信号与完整肢体的信号相似。目前，全球约有60名患者接受了AMI手术。

在取得这些令人鼓舞的进展后，研究人员开始探索这些神经信号能否对假肢生成命令，同时向患者提供肢体空间位置的反馈。如果成真，使用假肢的患者就可以使用本体感觉反馈，根据需要随意调整步态。

在最新的《自然-医学》研究中，研究团队对7名接受 AMI手术的患者与7名接受传统膝下截肢的患者进行了对照分析，分别检验他们在平地行走、上下坡、上下楼梯、在平地跨过障碍物等场景中的行走情况。

▲患者在平地行走、上下坡、上下楼梯时的表现对比（视频来源：参考资料[1]）

▲患者在跨越障碍物时的表现对比（视频来源：参考资料[1]）

研究发现，AMI手术使得7位患者的残余肌肉传入神经信号实现18%的增长，虽然增幅有限，但在所有任务中，接受AMI手术的患者行走速度都更快。与接受传统截肢手术的人相比，他们的最高步行速度提升了41%，与未截肢者相当。此外，他们跨越障碍物、爬楼梯的步态也更加自然。例如在上楼梯或跨过障碍物时，他们将假肢的脚趾朝上，并且能够更好地协调假肢和完整肢体的动作。

因此，AMI提供的神经反馈虽然仅有小幅提升，但依然可以显著恢复仿生神经可控性，让使用者可以直接通过神经控制行走速度、适应不同地形、避开障碍物。

“这是首次有假肢研究展示了完全神经调控下的腿部假肢，仿生步态也从中出现。此前没有人能展现这种产生自然步态的大脑控制，控制运动的不是机器算法，而是人类的神经系统。” Herr教授表示。