CAMBRIDGE, Mass. – Letztes Jahr haben Ingenieure des Massachusetts Institute of Technology stundenlang die hirngesteuerte Roboter-Gliedmaße auf Herz und Nieren geprüft, ihre Fähigkeiten an einer Reihe von Patienten getestet und die Feinabstimmung vorgenommen, wie eine Boxencrew, die einen Rennwagen für die Indy 500 vorbereitet.

Sie ließen die Patienten den Prothesenfuß beugen: Zeh nach oben, Zeh nach unten. Zehe rein, Zehe raus. Eine Treppe hinaufgehen, dann wieder hinunter. Aber die provokanteste Beobachtung machten sie nach den Experimenten des Tages, als der Patient Jim Ewing saß und sich mit dem Team unterhielt: Er zappelte und schwenkte den motorisierten Knöchel unbewusst.

Es war nicht viel, nur ein Wackeln hin und wieder, aber es lieferte einen aussagekräftigen Beweis dafür, dass der neue Roboterfuß zu einem nahtlosen Teil von Ewings Körper geworden war, und zwar auf eine Art und Weise, die noch nie zuvor mit einer Prothese erreicht worden war, berichteten die Wissenschaftler am Mittwoch.

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„Ein normaler Amputierter, der sein Bein trägt, tut nichts von alledem“, sagte Dr. Matthew Carty, Chirurg am Brigham and Women’s Hospital und Mitautor der Studie, gegenüber STAT. „Aber Jim saß da und sprach mit uns, und er zappelte mit seinem bionischen Fuß, als wäre es sein biologischer Fuß. Und er hat nicht darüber nachgedacht. Er war einfach er selbst.“

Der Schlüssel dazu, den bionischen Fuß wie den biologischen zu machen, war die Kombination eines chirurgischen Fortschritts mit einem technologischen, sagen die Forscher. Ewing, der sich den linken Fuß bei einem Sturz von einer Klippe auf den Cayman-Inseln aus 50 Fuß Höhe zerschmetterte, war die erste Person, die sich einer völlig neuen Art von Amputation unterzog, die von Carty und MIT-Professor Hugh Herr entwickelt wurde. Die Ingenieure entwickelten unterdessen eine Fußprothese, die eine Zwei-Wege-Kommunikation ermöglicht, bei der Signale von Ewings Gehirn zu seinem verbliebenen Unterschenkel und in die bionische Gliedmaße und dann wieder zurück übertragen werden.

Herr, selbst ein Bergsteiger, der als Teenager beide Beine durch Erfrierungen verlor, beschreibt sein Ziel als nichts Geringeres als die Beseitigung von Behinderungen. Das liegt noch in weiter Ferne. Aber die Forschung zeigt das Potenzial des neuen Systems, Menschen mit amputierten Beinen zu helfen, sich selbst aufzufangen, wenn sie über Bordsteine treten, die sie nicht sehen, oder über unebenes Gelände zu wandern, ohne zu stolpern, sagte Tyler Clites, der gerade seinen Doktortitel am Harvard-MIT-Programm erworben hat. am Harvard-MIT-Programm für Gesundheitswissenschaften und Technologie promoviert hat und Hauptautor der in der Zeitschrift Science Translational Medicine veröffentlichten Arbeit war.

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Ewing, in der Arbeit als „Proband A“ bezeichnet, war der einzige getestete Patient, der sich dem neuen Verfahren unterzog. Clites verglich sein Verhalten mit dem Roboterfuß mit dem von vier Personen, die eine herkömmliche Amputation hatten. Im Gegensatz zu Ewing, der die Prothese als „sein Bein“ bezeichnete, berichteten die anderen über „einen deutlichen Mangel an Eigentum an der Prothese oder an Emotionen, die mit der Kontrolle der Prothese verbunden sind“, schrieb Clites.

Ewing, 54, zeigte eine subtilere Kontrolle über den Fuß aus Kohlefaser und Metall, der etwa 2 Kilogramm wiegt – ungefähr so viel wie sein natürlicher Fuß. Er hob und senkte auch automatisch seine Zehen, wenn er eine Treppe hinauf- oder hinabstieg – ein reflexartiges Verhalten, das bei Menschen mit intakten Beinen, aber noch nie bei einer Prothese beobachtet wurde. „Dies geschieht unterhalb der Ebene seines Bewusstseins“, sagte Clites. „

Bevor man jedoch zu dem Schluss kommt, dass die neue Operation der Standardamputation überlegen ist, müssen die Ergebnisse in einer größeren klinischen Studie wiederholt werden, die bereits im Gange ist.

STAT hat das Experiment in den letzten 15 Monaten verfolgt und Filmmaterial für einen demnächst erscheinenden Dokumentarfilm mit dem Titel „Augmented“ über das ehrgeizige Projekt von Herr und seinem Team, fortschrittliche Roboterprothesen zu entwickeln, die mit dem Patienten verschmelzen, gesammelt.

Vor allem aber konnten die Forscher des MIT und der Brigham University Ewings Propriozeption wiederherstellen, d. h. die Fähigkeit, ohne hinzusehen zu wissen, wo sich die Gliedmaßen im Raum befinden, wie schnell sie sich bewegen und mit welcher Kraft. Auf diese Weise kann man mit geschlossenen Augen die Finger aneinander legen oder bestimmen, wie stark man das Gaspedal durchdrücken muss. Kurz gesagt: „Sie ist für alle menschlichen Bewegungen von grundlegender Bedeutung“, sagte Clites in einem Interview.

Paul Marasco, Leiter des Labors für bionische Integration an der Cleveland Clinic, bezeichnete die Arbeit als „cool“ und sagte, dass „Propriozeption eine wirklich harte Nuss“ für die Entwickler von Robotergliedern gewesen sei. „Es ist ein Gefühl, von dem wir nicht einmal wissen, dass wir es haben“, sagte er, „das wir als völlig selbstverständlich ansehen. Aber ohne dieses Gefühl ist die Funktionalität von Prothesen wirklich eingeschränkt.“

Bei Menschen mit intakten Gliedmaßen hängt die Propriozeption vom Zusammenspiel zwischen entgegengesetzten Muskeln ab: Wenn sich zum Beispiel der Bizeps zusammenzieht und den Ellbogen bewegt, streckt sich der Trizeps, und Sensoren in diesen Muskeln und den dazugehörigen Sehnen signalisieren dem Gehirn, dass der Arm gebeugt ist. Bei der herkömmlichen Amputation werden diese Verbindungen jedoch unterbrochen.

Die neue „Ewing-Amputation“ stellt sie wieder her, indem sie Paare von Muskeln und Sehnen zusammennäht, die früher mit dem Knöchel und dem subtalaren Gelenk im Fuß verbunden waren. Wenn sich ein Muskel zusammenzieht, dehnt sich der andere und gibt dem Patienten das Gefühl, dass sich das Gelenk bewegt. Auf der Haut des Patienten angebrachte Elektroden zeichnen die Muskelbewegungen in seinem Stumpf auf und senden Signale an den Prothesenfuß, die bewirken, dass er sich so bewegt, wie er es empfindet.

Gleichzeitig sendet der Fuß elektrische Impulse über die ausgeübte Kraft an den Stumpf zurück, so dass der Patient die Kraft anpassen kann, mit der er drückt.

„Das Besondere an Jim im Vergleich zu anderen ist, dass er, wenn er daran denkt, seinen Phantomstumpf zu bewegen, das Gefühl hat, dass sich der Phantomstumpf so bewegt, wie er es möchte“, sagte Clites.

Ewing konnte das Gefühl spüren, sobald der Roboterfuß angebracht und eingestellt war. „Ich habe sofort angefangen, ihn zu benutzen, als wäre es mein eigener Fuß“, sagte er gegenüber STAT, ohne dass er sein Gehirn neu trainieren musste, um die gewünschten Bewegungen auszuführen.

„Oh, wow, da ist etwas“, erinnerte er sich. „Es antwortet.

„Ich bin nicht jemand, der zu dramatischen Gefühlen neigt“, fügte er hinzu, „aber später, als ich nach Hause fuhr, verspürte ich einen starken Drang, wieder mit ihm verbunden zu sein.

Ewing, ein Ingenieur aus Falmouth, Maine, war so sehr auf die „monumentale“ Entscheidung konzentriert, ob sein Bein überhaupt amputiert werden sollte, dass er sich dem neuartigen Verfahren fast nicht mehr unterziehen wollte. Er konnte nicht sicher sein, dass die Operation funktionieren würde, dass sie die unerträglichen Schmerzen beseitigen würde, die ihn dazu veranlassten, immer mehr Schmerztabletten zu nehmen. Und was, wenn die Schmerzen dadurch noch schlimmer würden?

„Es ist nicht umkehrbar, man kann es nicht wieder anbringen“, sagte er. „

Aber am 19. Juli 2016, eineinhalb Jahre nach seinem Sturz, ließ er sich die Amputation vornehmen: „Ich wusste, dass ich mit dem, was ich hatte, nicht weiterleben konnte“, sagte er.

Jetzt, zwei Jahre später, sind seine Schmerzen weitgehend abgeklungen, obwohl er sagt, er spüre immer noch „Nervengeräusche“, ein „ständiges kleines Kribbeln im Geisterfuß.“ Das bremst ihn aber nicht. Seit der Operation fährt er Ski und geht tauchen. Er läuft und wandert mit einer Kohlefaserprothese, und fast jedes Wochenende geht er klettern. „Es gibt wirklich keine Aktivität, bei der ich sagen muss: ‚Oh, das kann ich wegen meiner verletzten Gliedmaße nicht machen.'“

Die Standard-Amputationschirurgie ist immer noch im 19. Jahrhundert verhaftet: Jahrhundert verhaftet: Seit den Tagen des Bürgerkriegs, als die Anästhesie noch rudimentär war und es vor allem auf Schnelligkeit und das Überleben der Patienten ankam, hat sich nicht viel geändert.

Die Prothesen haben sich in den letzten zehn Jahren dramatisch verbessert, was vor allem darauf zurückzuführen ist, dass den Tausenden von amerikanischen Soldaten geholfen werden muss, die mit zerschmetterten Beinen aus den Kriegen in Afghanistan und im Irak zurückgekehrt sind. Die US-Armee hat die in der neuen Studie beschriebenen Forschungsarbeiten mitfinanziert, ebenso wie das MIT Media Lab Consortia, Google und das Gillian Reny Stepping Strong Center for Trauma Innovation, das von der Familie eines Überlebenden des Boston-Marathon-Attentats gegründet wurde.

„Die Technologien sind inzwischen so weit ausgereift, dass wir uns darüber unterhalten können, wie Amputationen verändert werden müssen“, um die Vorteile fortschrittlicher Prothesen voll ausschöpfen zu können, so Marasco von der Cleveland Clinic. „

Marasco berichtete kürzlich über die Wiederherstellung des Gefühls der Handbewegung bei drei Patienten mit Amputationen der oberen Gliedmaßen. Durch Vibration der Muskeln im verbleibenden Arm der Patienten, während sich ihre Prothesenhand bewegte, täuschte Marascos Team dem Gehirn vor, es würde die Bewegung der Hand spüren. Die Patienten hatten eine bessere Kontrolle über ihren Griff und berichteten, ähnlich wie Ewing, dass sich ihre bionische Gliedmaße mehr wie ihre eigene anfühlte.

Clites sagte, der Ansatz seines Teams sei der einzige, der sich darauf stützt, dass Muskeln und Nerven das tun, was sie natürlich tun. (Er hat zusammen mit Herr und Carty, die bereits ein Konzeptpatent für das Verfahren besitzen, ein Patent angemeldet.)

„Alle anderen, die in diesem Bereich arbeiten, versuchen, ein Robotersystem zu bauen, das in einem Stumpf funktioniert, der offen gesagt kaputt ist“, sagte Clites. „Stattdessen versuchen wir, den Körper des Patienten so umzugestalten, dass er optimal mit der Prothese interagieren kann.“

An einem Nachmittag Anfang letzten Jahres, nachdem er Ewing beim erfolgreichen Treppensteigen mit dem Roboterbein beobachtet hatte, saß Herr in einem Konferenzraum des MIT und dachte über das Gesehene nach. „Wenn wir Hämmer entwerfen und bauen, sie in die Hand nehmen und Nägel einschlagen, ist das ein Werkzeug“, sagte er. „Es ist von unserem Körper getrennt. Es ist etwas, das wir benutzen. Aber es ist kein integraler Bestandteil unseres Selbst. Wir treten jetzt in eine neue Ära der Interaktion zwischen Mensch und Technik ein.“

Er sagte, er sehne sich nach diesem Gefühl des Besitzes, das er als „Verkörperung“ bezeichnet, und er gab zu, dass er „grün vor Neid“ auf Ewing sei. „Aber die Zeit wird kommen“, fügte er hinzu.

In der Tat hat Herr’s Labor im letzten Jahr eine Arbeit veröffentlicht, in der beschrieben wird, wie der neue Ansatz zur Amputation bei Menschen wie Herr angewendet werden kann, die sich bereits dem Standardverfahren unterzogen haben.

Carty plant bereits, eine Version der Ewing-Amputation oberhalb des Knies durchzuführen. Der erste Patient soll im Juni operiert werden, zwei weitere wahrscheinlich im Herbst.

Diese Patienten werden Teil der laufenden größeren klinischen Studie sein, die mit 3 Millionen Dollar vom Verteidigungsministerium finanziert wird. Die Studie wird letztlich 16 bis 20 Patienten umfassen, so Carty. Ursprünglich sollte sie vier Jahre dauern, aber die Rekrutierung verlief aufgrund von Mundpropaganda viel schneller als erwartet. Carty hat bisher neun Amputationen durchgeführt.

Vor zwei Jahren humpelte Ewing ins Brigham and Women’s Faulkner Hospital zur ersten Amputation. Anfang dieses Monats kehrte er zurück, diesmal schritt er selbstbewusst mit einem bionischen Bein den Flur entlang, dessen kleiner Elektromotor bei jedem Schritt surrte. Er war dort, um eine 20-jährige Frau zu besuchen, die sich der Amputation unterziehen sollte, die seinen Namen trägt.

Als er um die Ecke in den präoperativen Bereich einbog, wartete Patientin Nr. 9 schon sehnsüchtig. „Hallo, Jim“, sagte sie.

„Haben Sie meine Teile gehört?“, fragte er.

Dann umarmten sie sich.