神経筋骨格系義肢における把持協調性を改善するための神経フィードバック戦略

Neural feedback strategies to improve grasping coordination in neuromusculoskeletal prostheses.

• Enzo Mastinu
• Leonard F Engels
• Francesco Clemente
• Mariama Dione
• Paolo Sassu
• Oskar Aszmann
• Rickard Brånemark
• Bo Håkansson
• Marco Controzzi
• Johan Wessberg
• Christian Cipriani
• Max Ortiz-Catalan

抄録

従来の義肢は、操作性が悪く、感覚フィードバックが不足していました。また、触覚情報がないため、義手の使用者は付随的な視覚・聴覚情報に頼らざるを得ない。本研究では、日常的な把持と不確実性下での把持の際の運動協調に触覚を与えることの効果を検討した。3名の経上腕骨切断者を、直接骨格に装着し、移植された神経筋電極との双方向通信を可能にするオッセオインテグレーション経皮インプラントシステムを移植した。この神経筋骨格義肢は、生存可能な筋組織に移植された電極から制御信号を抽出し、切断された求心性神経線維を刺激して体性感覚フィードバックを提供することを可能にする、新しい概念の義肢置換術である。被験者は、ピックアンドリフト試験を行っている間に、3つの生物学的刺激パラダイムを用いて触覚フィードバックを受けた。把持された物体は、把持力と持ち上げ力を記録するために器具に取り付けられ、その重さは試験の間に一定または予期せぬ変化をした。結果はまた、フィードバックなしのコントロール条件と比較した。その結果、体性感覚フィードバックが把持時の運動協調に必要であることが、神経科学的文献に沿って確認されました。また、フィードバックは、不確実性がある場合にはより重要であり、その有効性は、選択された神経調節パラダイムや、おそらく義肢使用者の過去の経験にも影響されることが示された。

Conventional prosthetic arms suffer from poor controllability and lack of sensory feedback. Owing to the absence of tactile sensory information, prosthetic users must rely on incidental visual and auditory cues. In this study, we investigated the effect of providing tactile perception on motor coordination during routine grasping and grasping under uncertainty. Three transhumeral amputees were implanted with an osseointegrated percutaneous implant system for direct skeletal attachment and bidirectional communication with implanted neuromuscular electrodes. This neuromusculoskeletal prosthesis is a novel concept of artificial limb replacement that allows to extract control signals from electrodes implanted on viable muscle tissue, and to stimulate severed afferent nerve fibers to provide somatosensory feedback. Subjects received tactile feedback using three biologically inspired stimulation paradigms while performing a pick and lift test. The grasped object was instrumented to record grasping and lifting forces and its weight was either constant or unexpectedly changed in between trials. The results were also compared to the no-feedback control condition. Our findings confirm, in line with the neuroscientific literature, that somatosensory feedback is necessary for motor coordination during grasping. Our results also indicate that feedback is more relevant under uncertainty, and its effectiveness can be influenced by the selected neuromodulation paradigm and arguably also the prior experience of the prosthesis user.