تصف المخطوطة التالية طريقة جديدة لتطوير نظام تغذية مرتدة عصبية حلقة مغلقة بيولوجية يطلق عليها واجهة الأعصاب الطرفية التجديدية المركبة (C-RPNI). هذا البناء لديه القدرة على الاندماج مع الأعصاب الطرفية لتضخيم الإشارات الحركية efferent في حين توفير ردود الفعل الحسية afferent في وقت واحد.
وقد مكنت التطورات الأخيرة في الأطراف الاصطناعية العصبية أولئك الذين يعيشون مع فقدان الأطراف لإعادة إنتاج العديد من الوظائف الأصلية إلى الأطراف الغائبة، وغالبا ما يتم ذلك من خلال التكامل مع الجهاز العصبي المحيطي. لسوء الحظ ، غالباً ما ترتبط الطرق المستخدمة حاليًا بتلف كبير في الأنسجة يمنع الاستخدام المطول. بالإضافة إلى ذلك ، غالباً ما تفتقر هذه الأجهزة إلى أي درجة ذات مغزى من ردود الفعل الحسية حيث أن بنائها المعقد يخفف من أي اهتزازات أو أحاسيس أخرى قد يكون المستخدم قد اعتمد عليها سابقًا عند استخدام أطراف اصطناعية أكثر بساطة. تم تطوير واجهة العصب الطرفي التجديدية المركبة (C-RPNI) كبناء بيولوجي مستقر مع القدرة على تضخيم الإشارات العصبية الحركية الخالية مع توفير ردود فعل حسية في وقت واحد. C-RPNI يتكون من جزء من الجلد الحرة والكسب غير المشروع العضلات تأمين حول العصب الحسي مختلطة الهدف، مع تفضيل العصب الحركي من الكسب غير المشروع العضلات وإعادة تغذية العصب الحسي من الكسب غير المشروع الجلد. في الفئران، وقد أظهرت هذه البناء توليد إمكانات عمل العضلات المركبة (CMAPs)، تضخيم إشارة العصب المستهدف من مستوى الصغرى إلى مللي فولت، مع إشارة إلى نسب الضوضاء في المتوسط حوالي 30-50. تحفيز العنصر الجلدي من بناء يولد مركبات القدرة على عمل العصب الحسي (CSNAPs) في العصب القريب. على هذا النحو ، فإن هذا البناء له فائدة مستقبلية واعدة نحو تحقيق الأطراف الاصطناعية المثالية البديهية.
بتر الأطراف القصوى تؤثر على ما يقرب من 1 في 190 الأميركيين1, ومن المتوقع أن يزيد انتشارها من 1.6 مليون اليوم إلى أكثر من 3.6 مليون بحلول عام 20502. على الرغم من الاستخدام الموثق لأكثر من ألف عام ، فإن الطرف الاصطناعي المثالي لم يتحقق بعد3. حاليا، هناك أطراف اصطناعية معقدة قادرة على التلاعب المفاصل متعددة مع إمكانية إعادة إنتاج العديد من الوظائف الحركية من الطرف الأصلي4،5. ومع ذلك، لا تعتبر هذه الأجهزة بديهية كما الحركة الاصطناعية المطلوبة عادة ما تكون منفصلة وظيفيا من إشارة التحكم في الإدخال. عادة ما يعتبر المستخدمون هذه “الأطراف الاصطناعية المتقدمة” صعبة التعلم وبالتالي غير مناسبة للاستخدام اليومي1،6. بالإضافة إلى ذلك، لا توفر الأطراف الاصطناعية المعقدة المعقدة في السوق حاليًا أي درجة ملموسة من التغذية المرتدة الحسية الدقيقة للتحكم الكافي. الشعور باللمس والدعائم أمر حيوي لتنفيذ المهام اليومية ، وبدون هذه ، تصبح الأفعال البسيطة مثل التقاط فنجان من القهوة مرهقة لأنها تعتمد بالكامل على الإشارات البصرية7،8،9. لهذه الأسباب ، ترتبط الأطراف الاصطناعية المتقدمة بدرجة كبيرة من التعب العقلي وغالبا ً ما توصف بأنها مرهقة وغير مرضية5،10،11. لمعالجة ذلك ، قامت بعض المختبرات البحثية بتطوير أطراف اصطناعية قادرة على توفير درجة محدودة من التغذية المرتدة الحسية عبر التفاعل العصبي المباشر12،13،14،15، ولكن غالبًا ما تقتصر التغذية المرتدة على المناطق الصغيرة المتناثرة على اليدين والأصابع12،13، ولوحظ أن الأحاسيس مؤلمة وغير طبيعية في بعض الأحيان15. العديد من هذه الدراسات تفتقر للأسف أي متابعة طويلة الأجل ملموس وأنسجة الأعصاب لتحديد آثار الأنسجة المحلية، في حين تلاحظ فشل واجهة على نطاق أسابيع إلى أشهر16.
بالنسبة لهذه الفئة من السكان، فإن الجهاز الاصطناعي المثالي يوفر تحكمًا حركيًا عالي الدقة إلى جانب ردود فعل حسية سوماتوية ذات مغزى من بيئة الفرد طوال حياته. من الأمور الحاسمة لتصميم الأطراف الاصطناعية المثالية المذكورة هو تطوير واجهة مستقرة وموثوقة من شأنها أن تسمح بالإرسال المتزامن للمعلومات الحسية الغامضة مع إشارات المحرك efferent. أكثر الواجهات الواعدة بين الإنسان والآلة الحالية هي تلك التي تتفاعل مع الجهاز العصبي المحيطي مباشرة ، وقد عملت التطورات الأخيرة في مجال الأطراف الاصطناعية المتكاملة العصبية على سد الفجوة بين الإشارات الكهربائية الحيوية والميكانيكية17. وتشمل الواجهات الحالية المستخدمة: لوحات عصبية مرنة14،15،18، أقطاب الكفة خارج العصبية13،19،20،21،22،23، الأنسجة اختراق الأقطاب24،25،31،32، والأقطاب الكهربائية داخل الفاساب26،27 ،28. ومع ذلك ، فقد أظهرت كل من هذه الأساليب قيودًا فيما يتعلق بخصوصية الأعصاب ، وإصابة الأنسجة ، والانحطاط المحوري ، واستنفاد المالين ، و / أو تكوين الأنسجة الندبة المرتبطة باستجابة الجسم الغريب الساكنة المزمنة16،17،18،19. في الآونة الأخيرة، فقد افترض أن سائق وراء فشل القطب زرع في نهاية المطاف هو الفرق الكبير في moduli يونغ بين المواد الإلكترونية والأنسجة العصبية الأصلية. تخضع أنسجة الدماغ لميكرومكبيرة على أساس يومي ، وقد تم التوصل إلى التوقعات بأن إجهاد القص الناجم عن الاختلافات في مودولي يونغ يسبب التهابًا وتندبًا دائمًا في نهاية المطاف30،31،32. وغالبا ما يتفاقم هذا التأثير في الأطراف، حيث الأعصاب الطرفية تخضع لكل من micromotion الفسيولوجية والماكرووشن الأطراف المتعمد. بسبب هذه الحركة المستمرة ، من المعقول أن نستنتج أن استخدام واجهة العصب الطرفي اللاأحيائي ة ليست مثالية ، وستكون الواجهة مع مكون بيولوجي أكثر ملاءمة.
ولتلبية هذه الحاجة إلى مكون بيولوجي، طور مختبرنا واجهة عصبية حيوية يطلق عليها واجهة الأعصاب الطرفية التجديدية (RPNI) لدمج الأعصاب الطرفية العرضية في طرف متبقي مع جهاز اصطناعي. يتضمن تصنيع RPNI زرع العصب الطرفي جراحيًا في ترقيع العضلات الحرة ذاتيًا ، والذي يعيد بعد ذلك الأوعية الدموية وreinnervates. وقد طور مختبرنا هذه الواجهة العصبية البيولوجية على مدى العقد الماضي ، مع نجاح في تضخيم وإرسال الإشارات الحركية عند دمجها مع أقطاب كهربائية مزروعة في كل من التجارب الحيوانية والبشرية ، مما يسمح بالتحكم المناسب في الأطراف الاصطناعية بدرجات متعددة من الحرية2،34. وبالإضافة إلى ذلك، لقد أظهرت بشكل منفصل ردود الفعل الحسية من خلال استخدام الأعصاب الطرفية جزءا لا يتجزأ من الطعوم الجلدية، ويسمى واجهة الحسية الجلد (DSI)3،35. في عمليات البتر البعيدة أكثر، واستخدام هذه البنى في وقت واحد هو ممكن كما يمكن فصل اللفافات الحركية والحسية داخل العصب المحيطي الهدف جراحيا. ومع ذلك ، لمزيد من بتر مستوى القرب ، وهذا ليس ممكنا بسبب اختلاط الألياف الحركية والحسية. تم تطوير واجهة العصب الطرفي التجديدية المركبة (C-RPNI) لمزيد من عمليات البتر القريبة ، وهي تنطوي على زرع عصب حسي حركي مختلط في بناء يتكون من الكسب غير المشروع للعضلات الحرة المضمونة إلى جزء من الكسب غير المشروع الجلدي(الشكل 1). الأعصاب الطرفية تظهر تفضيلية تستهدف reinnervation، وبالتالي سوف الألياف الحسية إعادة إينرفات الطعوم الجلدية والألياف الحركية، والكسب غير المشروع العضلات. وبالتالي فإن هذا البناء لديه القدرة على تضخيم إشارات المحرك في وقت واحد مع توفير ردود الفعل سوماتوالحسية36 (الشكل 2)، مما يسمح لتحقيق مثالي ، بديهية ، الأطراف الاصطناعية المعقدة.
وC-RPNI هو بناء الرواية التي توفر تضخيم في وقت واحد من إشارات efferent المحرك العصب المستهدف مع توفير ردود الفعل الحسية afferent. على وجه الخصوص ، فإن C-RPNI له فائدة فريدة لأولئك الذين يعيشون مع بتر اتبهي ، حيث لا يمكن بسهولة فصل اللفافات الحركية والحسية ميكانيكيًا أثناء الجراحة. بدلا من ذلك، يستخدم C-RPN…
The authors have nothing to disclose.
ويود المؤلفون أن يشكروا جانا مون على المساعدة التقنية الخبيرة. تم تمويل الدراسات المقدمة في هذه الورقة من خلال منحة R21 (R21NS104584) إلى SK.
#15 Scalpel | Aspen Surgical, Inc | Ref 371115 | Rib-Back Carbon Steel Surgical Blades (#15) |
4-0 Chromic Suture | Ethicon | SKU# 1654G | P-3 Reverse Cutting Needle |
5-0 Chromic Suture | Ethicon | SKU# 687G | P-3 Reverse Cutting Needle |
6-0 Ethilon Suture | Ethicon | SKU# 697G | P-1 Reverse Cutting Needle (Nylon suture) |
8-0 Monofilament Suture | AROSurgical | T06A08N14-13 | Black polyamide monofilament suture on a threaded tapered needle |
Experimental Rats | Envigo | F344-NH-sd | Rats are Fischer F344 Strain |
Fluriso (Isofluorane) | VetOne | 13985-528-40 | Inhalational Anesthetic |
Micro Motor High Speed Drill with Stone | Master Mechanic | Model 151369 | Handheld rotary tool; kit comes with multiple fine grit stones |
Oxygen | Cryogenic Gases | UN1072 | Standard medical grade oxygen canisters |
Potassium Chloride | APP Pharmaceuticals | 63323-965-20 | Injectable form, 2 mEq/mL |
Povidone Iodine USP | MediChoice | 65517-0009-1 | 10% Topical Solution, can use one bottle for multiple surgical preps |
Puralube Vet Opthalmic Ointment | Dechra | 17033-211-38 | Corneal protective ointment for use during procedure |
Rimadyl (Caprofen) | Zoetis, Inc. | NADA# 141-199 | Injectable form, 50 mg/mL |
Stereo Microscope | Leica | Model M60 | User can adjust magnification to their preference |
Surgical Instruments | Fine Science Tools | Various | User can choose instruments according to personal preference or from what is currently available in their lab |
Triple Antibiotic Ointment | MediChoice | 39892-0830-2 | Ointment comes in sterile, disposable packets |
VaporStick 3 | Surgivet | V7015 | Anesthesia tower with space for isofluorane and oxygen canister |
Webcol Alcohol Prep | Coviden | Ref 6818 | Alcohol prep wipes; use a new wipe for each prep |