鲍哲南院士，最新NBE（IF=29）| 厉害！让瘫痪小鼠重新恢复运动！

通过将神经信号从运动皮层传递到肌肉，神经康复设备可以增强因脊髓或下运动神经元受伤而导致神经受损的肢体的运动。然而，传统的神经假体装置是刚性和耗电的。

2022年8月15日，首尔国立大学Tae-Woo Lee及斯坦福大学鲍哲南共同通讯在Nature Biomedical Engineering（IF=29）在线发表题为“A low-power stretchable neuromorphic nerve with proprioceptive feedback”的研究论文，该研究报告了一种可拉伸的神经形态植入物，它可以恢复患有神经运动障碍的小鼠腿部的协调和平滑运动，使动物能够踢球、走路或跑步。

神经形态植入物通过从兴奋性突触后信号产生电生理信号并通过提供本体感受反馈来充当人工传出神经。该设备以低功率运行（约为典型微处理器系统的 1/150），由连接到可拉伸晶体管的水凝胶电极组成，该晶体管包含有机半导体纳米线（充当人工突触），通过离子凝胶连接到人工包含碳纳米管应变传感器（充当人工肌梭）的本体感受器。具有本体感受反馈的可拉伸电子设备可能会激发用于神经康复的先进神经形态装置的进一步发展。

神经系统疾病会导致生活质量下降甚至死亡。特别是脊髓损伤 (SCI) 和运动神经元疾病 (MND) 会阻止神经信号从初级运动皮层传递到肌肉，从而限制身体的运动并严重损害这些疾病患者的生活质量。细胞和分子治疗旨在完全恢复受损神经，但恢复它们的运动功能长期以来一直是一个难以解决的问题。相反，旨在恢复患者运动功能的临时神经康复设备可以提高生活质量。

神经康复设备可以有效且可靠地重定向生物信号以绕过受损的神经组件并恢复运动功能，但使用冯诺依曼架构的传统系统消耗大量功率并且缺乏其生物对应物的神经可塑性。此外，传统的刺激使用具有恒定幅度的电脉冲，这通常会引起肌肉的突然而剧烈的收缩，并且由于肌肉收缩力难以预测，这会给用户带来不适。为了产生更自然的运动并确保患者舒适，在刺激开始和停用期间使用了电压斜坡，但这种方法需要额外的函数发生器。此外，它们的刚性会引起不适。这些限制可以通过使用利用神经可塑性的神经假体电子神经来解决，这些电子神经具有高度可拉伸性并在不使用外部大功率计算单元的情况下，模拟生物周围神经中事件驱动的突触信号传输。

模拟生物传入和传出神经并以尖峰驱动的神经可塑性传递感觉和运动信息的人工周围神经正在成为实现仿生电子皮肤、智能机器人和神经康复设备的重要技术。模拟生物神经的信号处理和功能的人造周围神经在与生物系统集成时可以恢复受损的生物信号通信。有机传入（或感觉）神经已与昆虫的腿相连，以展示简单的反射作用，但没有研究表明人工传出（或运动）神经可以控制脊椎动物的生物运动反应，这是未来生物相容性和节能神经康复设备。

这种系统在包括人类在内的脊椎动物的大脑导向肢体运动中的实际应用需要肢体的协调和自愿控制。除了通过人工周围神经发出信号外，在神经康复设备中实现本体感觉是恢复适当运动和身体位置感的必要条件。此外，该设备必须利用模拟生物突触行为的神经处理原理，并且应该以低能耗运行，易于制造并具有与软组织相似的机械性能。

在该研究中，描述了一种使用可拉伸有机纳米线突触晶体管的可拉伸神经形态传出神经 (SNEN)。SNEN 可以绕过中断的电生理信号路径（例如，由 SCI 或 MND 引起的信号路径）并重定向电生理信号，以通过神经运动障碍小鼠模型中的软神经接口和可拉伸电子系统控制身体运动。神经形态系统的突触信号增强固有地代表电信号斜坡，这在原则上将改善自然运动和患者舒适度，而无需使用额外的笨重电子元件，如函数发生器。与常规系统引起的突然增加和减少相反，合成的肌肉力反应逐渐增加。 

SNEN 的运行功耗约为使用微处理器的冯诺依曼架构系统的 1/150。与动物的生物运动反应类似，该研究通过人工传出神经的放电率来控制小鼠腿的位移和最大力量。该研究在突触晶体管中加入了一个人造肌梭，以提供本体感受反馈并防止肌肉过度劳累。

该研究在活体动物身上展示了协调的肌肉屈伸和实际动作，例如走路和跑步。此外，中继从行为动物的运动皮层记录的电生理信号以控制腿部运动的可行性支持 SNEN 技术的进一步发展，以用于未来的神经形态神经康复设备。SNEN 技术最终可能允许运动障碍患者产生自主运动。

参考消息：

https://www.nature.com/articles/s41551-022-00918-x

转自：“iNature”微信公众号

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