Forskare har för första gången lyckats avläsa signaler direkt från nerver i benet hos personer med amputerat ben. Tekniken gjorde det möjligt att tolka rörelser som knä-, fotleds- och tårörelser. Resultatet kan bana väg för framtidens proteser som styrs direkt via användarens nervsignaler och samtidigt kan ge tillbaka känsel.
Att förlora ett ben innebär inte bara att själva kroppsdelen försvinner. Kontakten mellan hjärnan och kroppen förändras också, vilket gör det svårt att röra sig naturligt och använda dagens proteser på ett effektivt sätt.
Nu har forskare visat att nervsignaler från ett amputerat ben fortfarande innehåller detaljerad information om hur personen försöker röra sitt förlorade ben. Genom att operera in små elektroder, tunna som hårstrån, direkt i ischiasnerven hos två försökspersoner med amputation ovanför knät, kunde forskarna registrera signaler när deltagarna försökte böja och sträcka knä, fotled och tår.
– Vi kunde för första gången visa att det går att använda signaler direkt från nerver för att tyda benrörelser hos de amputerade, säger Giacomo Valle, biträdande universitetslektor vid Chalmers tekniska högskola och en av forskarna bakom studien.
Forskarna såg att nästan alla de inopererade elektroderna registrerade nervsignaler när deltagarna försökte röra sitt fantomben. Det visar att hjärnan fortfarande skickar rörelsekommandon genom nervsystemet, trots att benet saknas. Signalerna innehåller information om vilka rörelser personen vill göra, till exempel böja knät, lyfta foten eller röra tårna.
Det särskilt anmärkningsvärda är att forskarna kunde avläsa signaler även för rörelser i fot och tår trots att de muskler som normalt styr dessa rörelser inte längre finns kvar efter amputationen.
För att tolka nervsignalerna utvecklade forskarna en särskild typ av artificiell intelligens, ett så kallat spikande neuronnätverk. Tekniken är inspirerad av hur biologiska nervceller kommunicerar med varandra. Den nya modellen presterade bättre än traditionella metoder för att analysera signaler och kunde identifiera vilken rörelse deltagarna försökte utföra med betydligt högre träffsäkerhet. Giacomo Valle menar att den här typen av AI passar särskilt bra för nervsignaler eftersom den arbetar på ett sätt som liknar nervsystemet, det vill säga med snabba elektriska impulser.
– Vi kunde läsa av nervsystemets egna språk, säger han.
Studien visar också något annat viktigt. De elektroder som användes för att registrera nervsignaler kunde även användas för att skicka elektriska signaler tillbaka till nervsystemet. När forskarna stimulerade nerverna upplevde deltagarna känsel från olika delar av det saknade benet, inklusive foten. Det innebär att samma implantat i framtiden kan användas både för att styra en protes och för att ge användaren känsel från den.
Tidigare forskning har främst fokuserat på armar och händer eller på enstaka leder i benet. Den nya studien visar att signaler från flera olika delar av benet kan fångas upp direkt från nervsystemet, även för muskler som inte längre finns kvar efter amputationen.
Giacomo Valle betonar att tekniken fortfarande befinner sig på forskningsstadiet. Studien omfattade endast två deltagare och testerna genomfördes i laboratoriemiljö.
– Detta måste testas på fler människor och i verkliga vardagssituationer för att göra tekniken mer robust, säger Giacomo Valle.
Trots få deltagare ses resultaten som ett viktigt genombrott. Forskare har nu visat att det går att registrera och tolka rörelseavsikter direkt från benets nerver hos personer med lårbensamputation, samtidigt som samma teknik kan användas för att återföra känsel.
– Det är första gången vi har visat att samma implantat kan användas både för att läsa av motorisk kontroll och sensorisk återkoppling, säger han.
Enligt Giacomo Valle kan kontroll över rörelse och sensorisk respons även minska fantomsmärtor.
– Tidigare forskning tyder på att fantomsmärta kan minska när kommunikationen mellan hjärnan och den förlorade kroppsdelen delvis återställs. När användaren både kan styra protesen och få tillbaka känsel skapas en mer naturlig koppling mellan hjärnan och kroppen, säger han.
Giacomo Valle. Foto: Chalmers tekniska högskola
Målet är framtida benproteser som känns som en naturlig del av kroppen.
– Nästa steg är att skapa en protes som fungerar som en naturlig förlängning av kroppen. Användaren ska kunna styra den med sina nervsignaler, samtidigt som protesen skickar signaler tillbaka till hjärnan om vad den känner och hur den rör sig, säger han.
Text: Jonas Jönsson
