Utilizando um novo tipo de intervenção cirúrgica e uma interface neuro protésica, os investigadores do MIT, nos E.U., em colaboração com colegas do Brigham and Women’s Hospital, demonstraram que é possível obter uma marcha natural utilizando uma perna protésica totalmente accionada pelo sistema nervoso do próprio corpo.
O procedimento cirúrgico de amputação reconecta os músculos do membro residual, o que permite que os pacientes recebam feedback “proprioceptivo” sobre a posição do seu membro protético no espaço.
Num estudo realizado em sete doentes submetidos a esta cirurgia, a equipa do MIT verificou que estes eram capazes de andar mais depressa, evitar obstáculos e subir escadas de forma muito mais natural do que as pessoas com uma amputação tradicional.
Este é o primeiro estudo de próteses na história que mostra uma prótese de perna sob modulação neural total, onde surge uma marcha biomimética. Ninguém conseguiu mostrar este nível de controlo cerebral que produz uma marcha natural, em que o sistema nervoso humano controla o movimento e não um algoritmo de controlo robótico, afirma Hugh Herr, professor de artes e ciências dos media, co-director do K. Lisa Yang Center for Bionics do MIT, membro associado do McGovern Institute for Brain Research do MIT e autor principal do novo estudo.
Os pacientes também sentiram menos dor e menos atrofia muscular após esta cirurgia, que é conhecida como interface mioneural agonista-antagonista (AMI). Até à data, cerca de 60 doentes em todo o mundo foram submetidos a este tipo de cirurgia, que também pode ser efectuada em pessoas com amputações de braços.
Hyungeun Song, um pós-doutorado no Media Lab do MIT, é o principal autor do artigo, que será publicado na Nature Medicine.
A maioria dos movimentos dos membros é controlada por pares de músculos que se esticam e contraem à vez. Durante uma amputação tradicional abaixo do joelho, as interacções destes pares de músculos são interrompidas. Isto faz com que seja muito difícil para o sistema nervoso sentir a posição de um músculo e a velocidade a que se está a contrair – informação sensorial que é crítica para o cérebro decidir como mover o membro.
As pessoas com este tipo de amputação podem ter dificuldade em controlar o seu membro protésico porque não conseguem sentir com precisão onde o membro se encontra no espaço. Em vez disso, dependem de controladores robóticos incorporados no membro protésico. Estes membros também incluem sensores que podem detectar e ajustar-se a declives e obstáculos.
Para tentar ajudar as pessoas a conseguir uma marcha natural sob controlo total do sistema nervoso, Herr e os seus colegas começaram a desenvolver a cirurgia AMI há vários anos. Em vez de cortarem as interacções naturais entre os músculos agonistas e antagonistas, ligam as duas extremidades dos músculos de modo a que estes continuem a comunicar dinamicamente entre si no membro residual. Esta cirurgia pode ser efectuada durante uma amputação primária, ou os músculos podem ser reconectados após a amputação inicial como parte de um procedimento de revisão.
“Com o procedimento de amputação AMI, na medida do possível, tentamos conectar agonistas nativos a antagonistas nativos de uma forma fisiológica para que, após a amputação, uma pessoa possa mover seu membro fantasma completo com níveis fisiológicos de propriocepção e amplitude de movimento”, diz Herr.
Num estudo de 2021, o laboratório de Herr verificou que os pacientes submetidos a esta cirurgia eram capazes de controlar com maior precisão os músculos do membro amputado e que esses músculos produziam sinais eléctricos semelhantes aos do membro intacto
Após estes resultados encorajadores, os investigadores decidiram explorar se esses sinais eléctricos poderiam gerar comandos para um membro protésico e, ao mesmo tempo, dar ao utilizador feedback sobre a posição do membro no espaço. A pessoa que usa o membro protético poderia então usar esse feedback proprioceptivo para ajustar voluntariamente a sua marcha, conforme necessário.
No novo estudo da Nature Medicine, a equipa do MIT verificou que este feedback sensorial se traduzia, de facto, numa capacidade suave e quase natural de andar e ultrapassar obstáculos.
“Graças à interface neuro protésica AMI, conseguimos aumentar a sinalização neural, preservando o máximo que pudemos. Isto foi capaz de restaurar a capacidade neural de uma pessoa para controlar contínua e directamente a marcha completa, em diferentes velocidades de marcha, escadas, declives, e até mesmo a transposição de obstáculos”, afirma Song.
Para este estudo, os investigadores compararam sete pessoas que foram submetidas à cirurgia AMI com sete que sofreram amputações tradicionais abaixo do joelho. Todos os indivíduos usaram o mesmo tipo de membro biónico: uma prótese com um tornozelo motorizado, bem como eléctrodos que podem detectar sinais de electromiografia (EMG) dos músculos tibial anterior e gastrocnémio. Estes sinais são transmitidos a um controlador robótico que ajuda a prótese a calcular o grau de flexão do tornozelo, o binário a aplicar ou a potência a fornecer.
Os investigadores testaram os sujeitos em várias situações diferentes: andar ao nível do solo num percurso de 10 metros, subir um declive, descer uma rampa, subir e descer escadas e andar numa superfície plana evitando obstáculos.
Em todas estas tarefas, as pessoas com a interface neuro protésica AMI foram capazes de andar mais depressa – mais ou menos ao mesmo ritmo que as pessoas sem amputações – e de contornar obstáculos mais facilmente. Também mostraram movimentos mais naturais, como apontar os dedos dos pés da prótese para cima enquanto subiam escadas ou passavam por cima de um obstáculo, e foram mais capazes de coordenar os movimentos do membro protésico e do membro intacto. Também foram capazes de empurrar o chão com a mesma força que uma pessoa sem amputação.
“Com a coorte do IAM, vimos surgir comportamentos biomiméticos naturais”, diz Herr. “O grupo que não tinha a AMI conseguia andar, mas os movimentos da prótese não eram naturais e os seus movimentos eram geralmente mais lentos.”
Estes comportamentos naturais surgiram apesar de a quantidade de feedback sensorial fornecida pela AMI ser inferior a 20% do que seria normalmente recebido em pessoas sem amputação.
“Uma das principais conclusões é que um pequeno aumento do feedback neural do membro amputado pode restaurar uma capacidade de controlo neural biónica significativa, a ponto de permitir que as pessoas controlem directamente a velocidade da marcha, se adaptem a diferentes terrenos e evitem obstáculos”, afirma Song.
“Este trabalho representa mais um passo para demonstrarmos o que é possível em termos de recuperação da função em doentes que sofrem de lesões graves nos membros. É através de esforços de colaboração como este que conseguimos fazer progressos transformadores no tratamento dos doentes”, afirma Matthew Carty, cirurgião do Brigham and Women’s Hospital e professor associado da Harvard Medical School, que é também um dos autores do artigo.
Permitir o controlo neural por parte da pessoa que usa o membro é um passo em direcção ao objectivo do laboratório de Herr de “reconstruir corpos humanos”, em vez de fazer com que as pessoas dependam de controladores e sensores robóticos cada vez mais sofisticados – ferramentas que são poderosas, mas que não parecem fazer parte do corpo do utilizador.
“O problema com esta abordagem a longo prazo é que o utilizador nunca se sentirá integrado na sua prótese. Nunca veria a prótese como parte do seu corpo, parte de si próprio”, afirma Herr. “A abordagem que estamos a adoptar é tentar ligar de forma abrangente o cérebro do ser humano à electromecânica.”
ALERT Life Sciences Computing, S.A.
