除了奥运会和残奥会，还有另一场人类坚韧不拔的史诗般的庆祝活动:电子马拉松，也被称为电子奥运会。瑞典查尔姆斯理工大学的仿生学工程师马克斯·奥尔蒂斯-加泰罗尼亚说，这是“电子人的奥运会，技术被用来克服残疾。”与其他项目不同的是，Cybathlon纪念新的假肢技术，并举办从骑自行车到晾衣服等计时比赛。
戴着假肢挂t恤是非常困难的。这些假肢体积庞大，难以操作，活动范围有限。这是奥尔蒂斯-加泰罗尼亚的研究小组已经研究了十多年的挑战。但在最近发表的一项研究中，该团队在使假肢运动更精确和可控方面迈出了重要一步——他们希望这将帮助佩戴他们设计的假肢的人在2024年Cybathlon所谓的“军备竞赛”中获胜。大多数假肢手臂使用人体的其他部位，如肩膀或肘部来提供动力，这限制了其灵活性。但研究小组在研究中展示的假肢直接连接到用户自己的神经系统，允许用户随意单独移动每个假肢手指。这些动作将被证明是有用的，比如把一件t恤夹在晾衣绳上——这是比赛的任务之一。
对于患者来说，“他们对假肢最看重和最优先考虑的是控制，”奥尔蒂斯-加泰罗尼亚说。“因此，我们开始研究外科手术，以改善我们获取控制信息的方式。”
假肢已经有近3000年的历史了——最早的假肢是在一位埃及贵妇的棺材里发现的一个木制脚趾。多年来，假肢已经变得更轻，更像人类，并提供更大的运动范围。即便如此，重大挑战依然存在。密歇根大学(University of Michigan)整形外科医生保罗·塞德纳(Paul Cederna)说，移动“身体驱动”的假肢需要很大的努力，而且经常会导致疼痛或疲劳。这种假肢通过连接在残肢上的电缆和线束来控制假肢。
一种被称为“肌电假肢”的新型装置是由来自残肢的电子神经信号供电的。cederna说，这些机器人“具有令人难以置信的机器人能力，但没有好的策略来控制它们”，就像“你的车库里有一辆法拉利，但没有车钥匙”。他们面临着一系列问题:例如，在许多上肢截肢的患者中，控制单个手指或小动作的肌肉不再存在，限制了他们使用假肢的动作。来自大脑的神经信号可能很小，很难在身体的其他电子噪音中被识别出来。虽然大多数的肌电义肢是基于放置在使用者残肢皮肤上的一系列表面电极运行的，但这些电极会四处滑动，导致义肢变得不可靠。
2020年，Cederna的研究小组开发了一种不同的手术策略:将残肢中的神经连接到小块肌肉上。他们与截肢的病人一起，将残肢上的整个神经的末端部分解剖成神经束，或小束的神经纤维。然后，他们用一小块从身体其他部位取来的肌肉包裹每个神经束，并剥离其中的神经。(想象一只裹着毯子的猪——香肠是神经，周围的新月形卷是肌肉移植。)
在几个月的时间里，每一个神经束都会长成肌肉，为肌肉提供神经信号。通过在小肌肉神经束中放置一个电极，科学家们可以实时记录下来自每个神经束的神经信号。“然后，你可以记录这些被放大的肌肉信号，而不是试图记录微小的神经信号，”Cederna说。“那一小块肌肉就像一个生物放大器，现在你可以听到神经在说什么。”
Ortiz-Catalan的团队从Cederna那里学习了这项技术，并决定将其扩展。除了使用身体其他部位(在他们的案例中是腿部)的肌肉移植外，他们还决定将一些解剖的神经束重新移植到手臂上现有的肌肉上。这种将神经转移到现有肌肉的技术，被称为“定向肌肉神经再生”，以前曾被用于帮助假肢控制。Ortiz-Catalan说，结合这两种策略，给了他们“两全其美”——更多的神经电信号可以转化为不同的动作。
为了将所有这些神经信息发送到一个真正的假肢上，ortizz - catalalan和他的团队将植入的电极与一个钻入患者上臂肱骨的钛植入物连接起来。植入物促进了体内电极和外部假体之间的双向通信。这是一个不小的壮举:从植入物的钻孔开始，整个过程花了六个多月的时间，包括一个12小时的手术来改变所有神经的路线。
一旦一切就绪，科学家们就可以监测他们植入的电极系统如何与假肢沟通。首先，他们追踪每个植入电极的电信号。虽然一开始是模糊的，但信号变得越来越强。据奥尔蒂斯-加泰罗尼亚实验室的博士生、该研究的合著者扬·兹宾登(Jan Zbinden)说，这意味着神经束成功地融入了各自的肌肉，并向它们提供了足够的信号。
通过使用机器学习算法，科学家们可以将这些信号映射到患者试图做的特定动作上，例如张开他的手，或者抬起食指。然后，每个动作都可以被编程到假肢中，这样，每种类型的电信号都会在假肢中引起相应的运动。
手术后大约四个月，患者能够完成基本的动作，如弯曲手腕和张开手，以及移动每个手指。一年多后，科学家们注意到病人可以直观地移动他的假肢。这意味着他不必把每个动作都看成是一个多步骤的过程，他可以简单地想到这个动作，试着执行它，然后它就会发生。“如果你不得不想，‘二头肌，三头肌，张开。近距离接触会产生认知负荷，”Zbinden说。“这比想象‘哦，现在我想移动我的拇指’要困难一些。”
今天，在手术后两年多，Zbinden说，病人仍然在使用假肢:“目前，他可以张开和闭合手，旋转手，弯曲和伸展肘部，所有这些都是通过思考来完成的。”
奥地利维也纳医科大学(Medical University of Vienna)的整形外科医生奥斯卡·阿兹曼(Oskar Aszmann)没有参与这项研究，他说，这种假肢平台“非常令人兴奋，展示了一些非常新的东西”，病人可以在其中独立移动五个手指。他很想知道这个平台是否有一天能实现无线化——由于通过电极和假体来回传输的大量信息，这一点很难实现。不过，他和Cederna都指出，这些发现需要在其他患者身上得到复制。
Ortiz-Catalan和Zbinden同意这个观点。他们正在继续改进假肢平台，并对增加感官反馈感兴趣。与此同时，他们期待着和病人一起参加下一届Cybathlon。“他是一个用手做事的人，”奥尔蒂斯-加泰罗尼亚说。“他有一份非常体力的工作，在车间工作，看到他在日常生活中使用这个设备——看到连接工作以及功能如何增强——这是我们拥有的最有价值的事情之一。”
