Membros protéticos de última geração podem ajudar pessoas com amputações a atingir uma marcha natural, mas não dão ao usuário controle neural total sobre o membro. Em vez disso, eles dependem de sensores e controladores robóticos que movem o membro usando algoritmos de marcha predefinidos.

Usando um novo tipo de intervenção cirúrgica e interface neuroprotética, pesquisadores do MIT, em colaboração com colegas do Brigham and Women's Hospital, mostraram que uma marcha natural é possível usando uma perna protética totalmente acionada pelo próprio sistema nervoso do corpo. O procedimento de amputação cirúrgica reconecta músculos no membro residual, o que permite que os pacientes recebam feedback "proprioceptivo" sobre onde seu membro protético está no espaço.

Em um estudo com sete pacientes que passaram por essa cirurgia, a equipe do MIT descobriu que eles conseguiam andar mais rápido, evitar obstáculos e subir escadas com muito mais naturalidade do que pessoas com amputação tradicional.

“Este é o primeiro estudo protético na história que mostra uma prótese de perna sob modulação neural completa, onde uma marcha biomimética emerge. Ninguém foi capaz de mostrar esse nível de controle cerebral que produz uma marcha natural, onde o sistema nervoso humano está controlando o movimento, não um algoritmo de controle robótico”, diz Hugh Herr, professor de artes e ciências da mídia, codiretor do K. Lisa Yang Center for Bionics no MIT, membro associado do McGovern Institute for Brain Research do MIT e autor sênior do novo estudo.

Os pacientes também sentiram menos dor e menos atrofia muscular após essa cirurgia, que é conhecida como interface mioneural agonista-antagonista (AMI). Até agora, cerca de 60 pacientes ao redor do mundo receberam esse tipo de cirurgia, que também pode ser feita para pessoas com amputações de braço.

Hyungeun Song, pós-doutoranda no Media Lab do MIT, é a principal autora do artigo, que aparece hoje na Nature Medicine.

A maioria dos movimentos dos membros é controlada por pares de músculos que se revezam para se esticar e se contrair. Durante uma amputação tradicional abaixo do joelho, as interações desses músculos pareados são interrompidas. Isso torna muito difícil para o sistema nervoso sentir a posição de um músculo e a rapidez com que ele está se contraindo — informações sensoriais que são críticas para o cérebro decidir como mover o membro.

Pessoas com esse tipo de amputação podem ter problemas para controlar seu membro protético porque não conseguem sentir com precisão onde o membro está no espaço. Em vez disso, elas dependem de controladores robóticos embutidos no membro protético. Esses membros também incluem sensores que podem detectar e se ajustar a declives e obstáculos.

Para tentar ajudar as pessoas a atingir uma marcha natural sob controle total do sistema nervoso, Herr e seus colegas começaram a desenvolver a cirurgia AMI há vários anos. Em vez de cortar as interações musculares agonistas-antagonistas naturais, eles conectam as duas extremidades dos músculos para que eles ainda se comuniquem dinamicamente entre si dentro do membro residual. Esta cirurgia pode ser feita 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, tentamos conectar agonistas nativos a antagonistas nativos de forma fisiológica, na maior extensão possível, para que, após a amputação, a pessoa possa mover seu membro fantasma completo com níveis fisiológicos de propriocepção e amplitude de movimento”, diz Herr.

Em um  estudo de 2021 , o laboratório de Herr descobriu que os pacientes que passaram por essa cirurgia conseguiram controlar com mais precisão os músculos do membro amputado e que esses músculos produziram sinais elétricos semelhantes aos do membro intacto.

Após esses resultados encorajadores, os pesquisadores se propuseram a explorar se esses sinais elétricos poderiam gerar comandos para um membro protético e, ao mesmo tempo, dar ao usuário feedback sobre a posição do membro no espaço. A pessoa que usa o membro protético poderia então usar esse feedback proprioceptivo para ajustar voluntariamente sua marcha conforme necessário.

No novo estudo da Nature Medicine , a equipe do MIT descobriu que esse feedback sensorial de fato se traduziu em uma capacidade suave e quase natural de caminhar e contornar obstáculos.

“Por causa da interface neuroprostética AMI, fomos capazes de aumentar essa sinalização neural, preservando o máximo que podíamos. Isso foi capaz de restaurar a capacidade neural de uma pessoa de controlar contínua e diretamente a marcha completa, em diferentes velocidades de caminhada, escadas, declives, até mesmo passando por obstáculos”, diz Song.

Para este estudo, os pesquisadores compararam sete pessoas que fizeram a cirurgia de IAM com sete que fizeram amputações tradicionais abaixo do joelho. Todos os indivíduos usaram o mesmo tipo de membro biônico: uma prótese com um tornozelo energizado, bem como eletrodos que podem detectar sinais de eletromiografia (EMG) dos músculos tibial anterior e gastrocnêmio. Esses sinais são alimentados em um controlador robótico que ajuda a prótese a calcular o quanto dobrar o tornozelo, quanto torque aplicar ou quanta potência fornecer.

Os pesquisadores testaram os indivíduos em diversas situações diferentes: caminhada em terreno plano por um caminho de 10 metros, subida de uma ladeira, descida de uma rampa, subida e descida de escadas e caminhada em superfície plana evitando obstáculos.

Em todas essas tarefas, as pessoas com a interface neuroprotética AMI conseguiram andar mais rápido — quase na mesma velocidade que as pessoas sem amputações — e contornar obstáculos com mais facilidade. Elas também mostraram movimentos mais naturais, como apontar os dedos da prótese para cima ao subir escadas ou passar por cima de um obstáculo, e conseguiram coordenar melhor os movimentos do membro protético e do membro intacto. Elas também conseguiram se impulsionar do chão com a mesma quantidade de força que alguém sem amputação.

“Com a coorte AMI, vimos comportamentos biomiméticos naturais emergirem”, diz Herr. “A coorte que não tinha AMI conseguia andar, mas os movimentos protéticos não eram naturais, e seus movimentos eram geralmente mais lentos.”

Esses comportamentos naturais surgiram mesmo que a quantidade de feedback sensorial fornecido pelo AMI fosse inferior a 20% do que normalmente seria recebido em pessoas sem amputação.

“Uma das principais descobertas aqui é que um pequeno aumento no feedback neural do seu membro amputado pode restaurar uma controlabilidade neural biônica significativa, a um ponto em que você permite que as pessoas controlem neuralmente a velocidade da caminhada, se adaptem a diferentes terrenos e evitem obstáculos”, diz Song.

“Este trabalho representa mais um passo em nossa demonstração do que é possível em termos de restauração de função em pacientes que sofrem de lesão grave nos membros. É por meio de esforços colaborativos como este que somos capazes de fazer progresso transformacional no atendimento ao paciente”, diz Matthew Carty, cirurgião do Brigham and Women's Hospital e professor associado da Harvard Medical School, que também é autor do artigo.

Permitir o controle neural pela pessoa que usa o membro é um passo em direção ao objetivo 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 não parecem fazer parte do corpo do usuário.

“O problema com essa abordagem de longo prazo é que o usuário nunca se sentiria incorporado com sua prótese. Ele nunca veria a prótese como parte de seu corpo, parte de si mesmo”, diz Herr. “A abordagem que estamos adotando é tentar conectar de forma abrangente o cérebro do ser humano à eletromecânica.”

A pesquisa foi financiada pelo Centro de Biônica K. Lisa Yang do MIT e pelo Instituto Nacional de Saúde Infantil e Desenvolvimento Humano Eunice Kennedy Shriver.