의지 제어를 강화하고 고유 감각을 회복하기 위한 상지 절단에 대한 새로운 접근법

상지 절단은 히포크라테스에 의해 처음 해명된 많은 기술적 원리와 함께 의학 역사상 가장 오래된 알려진 수술 절차 중 하나입니다. 2000년이 넘는 세월이 흘렀음에도 불구하고 상지 희생에 대한 수술적 접근 방식은 상대적으로 거의 변하지 않았습니다. 현재 미국에서 약 58,000명의 환자가 팔꿈치 위(AEA) 또는 팔꿈치 아래(BEA) 수준에서 상지 손실을 겪고 있으며, 상지 절단의 유병률은 2050년까지 약 95,000명의 환자로 증가할 것으로 예상됩니다.

상지의 정상적인 기능은 함께 작용하는 여러 근육 그룹의 역동적인 상호 작용을 통해 활성화됩니다. 수동 손재주는 중추 및 말초 신경계와 근골격계를 포함하는 복잡한 피드백 루프에 의존하는 현저하게 조율된 생체역학적 과정입니다. 원래 상태에서 상지의 근육은 하나의 근육의 의지적 활성화가 수축뿐만 아니라 반대쪽 근육의 수동적 신장으로 이어지는 균형 잡힌 주동근/길항근 상황에 존재합니다. 작용제와 길항제 단위의 이러한 상호 작용을 통해 나타나는 근육 긴장의 변화는 관절 위치 정보를 대뇌 피질로 전송하는 근육 섬유(예: 근방추 섬유 및 골지 건 기관) 내의 특수 수용체의 자극을 유도합니다. 이러한 피드백은 피부 기계수용체의 피부 감각 정보와 함께 시각적 피드백이 없는 경우에도 궁극적으로 높은 충실도의 사지 제어를 가능하게 하는 사지 고유 감각을 제공합니다.

불행히도, AEA 또는 BEA 수준에서 상지 절단에 대한 표준 수술 접근법은 손상되지 않은 상지의 특징인 많은 동적 관계를 제거합니다. 초기 외과적 노출은 일반적으로 피쉬마우스 패턴 절개를 통해 이루어지며 절개 수준에서 근육, 혈관, 신경 및 뼈의 점진적 절개가 뒤따릅니다. 생존 가능한 분절이 있는지 여부에 관계없이 구조적 절개 부위의 원위 조직은 폐기되고 근위 잔류 근육은 이 노출된 골 표면에 절연을 제공하기 위해 원위 절개된 뼈 위에 층을 이룹니다. 그런 다음 주변 피부를 뼈/근육 구조물 위로 전진시켜 최종 봉합을 달성합니다. 이 접근법에서 원위 사지의 일치하지 않는 조직의 기초적인 근사는 정상적인 동적 근육 관계가 파괴되는 무질서한 반흔 덩어리를 초래합니다. 기본 작동근/길항근 쌍의 결합 해제는 의지 활성화 시 잔여 근육 그룹의 등척성 수축을 초래하여 절단단 위치의 비정상적인 인식을 초래하는 뇌에 ​​불완전하고 불균형한 신경 피드백을 생성합니다. 이러한 교란된 피드백은 의족을 착용한 사지 기능 장애로 이어질 뿐만 아니라 환지 및 환각 통증 증상의 형태로 사지에 대한 병리학적 감각 지각으로 나타납니다.

현재까지 이러한 접근법의 한계는 상지 절단이라는 매우 단순한 목표로 인해 허용되었습니다. 역사적으로 상지 의지는 절단 수술을 받은 환자에게 적어도 어느 정도 상지 기능을 회복할 수 있는 기회를 제공했습니다. 그러나 이러한 장치는 제한된 동작 범위와 피드백 제어 부족으로 인해 일반적으로 인간 상지의 복잡한 생체 역학을 재현할 수 없었습니다. 이러한 제한으로 인해 신체 동력 장치와 근전기 장치를 모두 포함하여 23%에서 45% 범위의 상지 보철물 거부율이 보고되었습니다.

그러나 현대 보철물의 기능은 이제 눈에 띄게 확장되고 있습니다. 점점 더 소형화되는 전자 장치, 무선 통신 및 끊임없이 개선되는 위치 센서를 포함한 기술 발전으로 인해 보철 개발자는 이전 모델보다 자유도가 크게 향상된 차세대 생체 공학적 팔다리를 만들 수 있습니다. 이전에는 볼 수 없었던 방식으로 촉각 및 위치 모두에서 감각 피드백을 제공할 수 있는 잠재력을 가진 훨씬 더 발전된 보철물이 현재 개발되고 있습니다. 이러한 보철 장치는 아직 상용화되지 않았지만 현재 실험 환경에서 연구되고 있습니다. 예를 들어, DARPA(Defense Advanced Research Projects Agency)는 최근 손목, 엄지 및 모든 손가락에서 6개의 자유도를 포함하는 상지 보철물을 통합하는 손, 고유 수용 및 터치 인터페이스(HAPTIX) 프로그램에 따라 제안 요청서를 발행했습니다. 감각 피드백을 제공할 수 있는 압력 센서 및 관절 위치 데이터를 제공할 수 있는 관절 각도 및 속도 센서.

보철물 개발의 이러한 기술적 진보에도 불구하고, 절단단 관리에 관한 수술 방법은 이러한 향상된 보철물 기능을 따라가지 못했습니다. 상지 절단의 고전적인 기술은 복잡한 보철 제어를 위한 릴레이 역할을 할 수 있는 신경분포된 인터페이스를 제공하지 않습니다. 절단단에 정보 교환을 위한 구심성 및 원심성 도관을 제공하는 생물학적 액추에이터가 없으면 차세대 보철물은 거의 쓸모가 없습니다. 달리 말하면, 차세대 보철 장치는 현재 이전보다 훨씬 더 향상된 기능을 제공할 수 있는 드라이버와 센서를 통합하고 있지만 사지 절단에 대한 표준 접근 방식은 이러한 보철을 의도한 수혜자와 효과적으로 연결하는 방법을 제공하지 않습니다. 상지 절단이 수행되는 방식의 진화, 즉 상지 절단 환자가 현재 개발 중인 놀라운 보철물이 제공하는 향상된 기능을 활용할 수 있는 생물학적 인터페이스를 제공할 진화가 이제 필요합니다.

인공 사지를 위한 효과적인 신경 인터페이스에 대한 증가된 필요성에 대한 인식은 지난 10년 동안 이 분야에서 점점 더 많은 노력을 기울인 것을 볼 수 있습니다. 원위 보철물의 고해상도 제어를 제공하기 위한 초기 노력은 각각 뇌파 두피 센서 또는 이식형 실질 전극의 배치를 통한 간접 및 직접 뇌 인터페이스에 주로 집중되었습니다. 그러나 이러한 노력은 불량한 해상도, 신호 획득의 불일치, 이식형 장치의 경우 시간이 지남에 따라 임펄스 저하로 이어지는 점진적인 이물질 반응으로 인해 어려움을 겪었습니다.

뇌 인터페이스의 한계가 더욱 분명해짐에 따라 초점은 주변 제어 유전자좌로 이동했습니다. 이 정맥에서의 노력에는 개별 신경 다발에서 원위 보철물로 전기 신호를 직접 변환하도록 설계된 개재 체 및 커프를 포함한 직접적인 말초 신경 인터페이스가 포함되었습니다. 그러나 이러한 모니터는 흉터에 이차적인 진행성 신경 압박과 생물학적 모델의 중요한 신경학적 누화 및 간섭으로 인해 임상적 가능성을 거의 보여주지 못했습니다.

말초 신경 인터페이스 개발에 관한 가장 유망한 노력은 이제 생물학적 시스템 영역 내에 있습니다. 이러한 모델은 원위 보철물 제어 및 피드백을 위한 생물학적 액추에이터를 생성하기 위해 원위 신경 말단으로 원시 조직에 신경이 분포되는 구성으로 구성됩니다. 이 영역의 두 가지 주요 모델은 다음과 같습니다.

• 표적 근육 재신경지배(TMR): Dumanian과 Kuiken 등이 개척한 TMR은 일련의 신경 전달을 사용하여 특정 표적 근육을 재신경지배하여 말단 사지 절단 후 추가적인 보철물 제어 부위를 만드는 기술입니다.
• 재생 말초 신경 인터페이스(RPNI): Cederna 등이 주도한 RPNI는 신경분포된 생물학적 인터페이스의 대체 버전을 제공합니다. RPNI는 원위 운동 신경 또는 감각 신경 말단에 결합된 근육의 비혈관화 부분으로 구성된 외과적 구조물입니다.

TMR과 RPNI 모두 이미 절단 수술을 받은 환자에게 개선된 기능을 제공할 가능성이 있음을 입증했지만 두 기술 모두 처음부터 절단 수술을 수행하는 방식의 근본적인 재설계에 통합되지 않았습니다. 문헌에 보고된 TMR 또는 RPNI의 ​​모든 임상 구현 사례에서 이러한 기술은 이미 사지 손실을 경험한 환자의 기능을 더욱 최적화하기 위해 사용되었습니다.

임상 프로토콜은 TMR 및 RPNI 영역에서 이미 수행된 작업에서 확립된 몇 가지 원칙을 기반으로 상지 절단이 수행되는 방식의 재발명을 제안합니다. 아래에 자세히 설명된 바와 같이, 핵심 혁신은 직관적이고 의지적인 운동 활성화뿐만 아니라 선천적으로 신경 분포된 주동근/길항근 쌍을 위한 기질을 제공하기 위해 표준 하지 절단 과정에서 일반적으로 희생되는 원위 사지 조직을 활용하는 것입니다. 또한 고유 감각 피드백. 개념적으로 이 아이디어는 생물학적으로 반대되는 근육(예: 이두박근 및 삼두근)의 물리적 연결로 구성되어 신경학적으로 유발된 한 근육의 수축이 실행될 때 해당 파트너의 동시 스트레칭이 달성되어 관찰 가능한 쌍의 움직임과 자극을 초래합니다. 표준 고유 수용 경로. 연구자들은 이 구조물을 작용제-길항제 근신경 인터페이스(AMI)라고 명명했습니다.

이 역동적인 주동근/길항근 개념이 임상적으로 조작될 수 있는 방식은 온전하고, 신경분포되고, 혈관화된 원시 근육이 수술 개입 시점에 존재하는지 여부에 따라 달라집니다. 지난 5년 동안 연구 그룹은 생쥐와 염소 개체군 모두에서 일련의 전임상 조사를 통해 다양한 임상 시나리오에 대한 실험 모델을 개발했습니다.

건강한 자연 근육이 재건 기질로 이용 가능한 경우, 분리된 주동근/길항근 쌍의 원위 단부의 결합은 절단단 디자인에 통합될 수 있습니다. 글라이딩 인터페이스로서 천연 활액관과 결합될 때 도르래와 같은 시스템을 구축하여 동적 근육 구조를 제공할 수 있습니다. 쥐 모델에서 AMI의 구성은 기본 근육 구조와 유사한 방식으로 램프 및 홀드 스트레칭에 대한 응답으로 구성 근육 벌크, 시간 경과에 따른 생존 능력 및 차등 구심성 신호 생성의 보존을 입증했습니다. 또한, 염소 모델에서 AMI 구성을 통합하여 경골 절단 수준에서 절단 성능은 자연 신경 명령과 인공 근육 자극이 있는 상태에서 주동근-길항근 쌍의 명확한 결합 운동을 입증했습니다.

이러한 개념 증명 동물 연구를 기반으로 연구자들은 AMI가 사지 고유 감각을 복원할 수 있는 추가 이점과 함께 다른 신경 인터페이스 전략보다 우수한 의지 제어를 위한 생물학적 릴레이를 제공할 가능성을 제공한다는 가설을 세웁니다. 적절하게 조정된 차세대 보철물과 결합될 때 AMI는 기계 팔다리와 진정한 폐쇄 루프 신경 상호 작용을 달성하기 위한 최초의 생물학적 메커니즘을 제공할 수 있습니다.

조사관은 여기에서 상지 시나리오에서 수정된 절단 모델의 기능적 및 체감각적 이점에 대한 3년, 전향적, 통제된 평가를 제안합니다. 연구자들은 이 모델이 상지 절단 환자에게 보철물에 대한 전례 없는 고해상도 모터 제어를 제공할 뿐만 아니라 매우 직관적이고 사지 고유 감각을 복원할 수 있는 생물학적 인터페이스를 제공할 가능성이 있다고 믿습니다. 만약 명백하다면, 이러한 증강된 능력은 업무 상태로의 보다 강력한 복귀 및 심리적 부담 감소를 포함하여 기능 및 전반적인 건강 결과를 향상시킬 수 있습니다.