脊髓損傷的人可以走路和跑步嗎

由Tae-Woo Lee教授(韓國首爾國立大學(xué)材料科學(xué)與工程系)和Zhenan Bao教授(美國斯坦福大學(xué)化學(xué)工程系)領(lǐng)導(dǎo)的國際研究團(tuán)隊成功恢復(fù)肌肉運(yùn)動在通過有機(jī)人工神經(jīng)癱瘓的小鼠模型中。結(jié)果發(fā)表在《自然生物醫(yī)學(xué)工程》上。

神經(jīng)是生命活動所必需的，對生活質(zhì)量有重大影響，容易受到身體損傷、遺傳原因、繼發(fā)性并發(fā)癥和衰老等各種原因的損害。此外，一旦神經(jīng)受損，它們就難以重建，并且由于生物信號傳導(dǎo)不良，它們的部分或全部身體功能將永久喪失。

在神經(jīng)損傷患者的各種康復(fù)方法中，目前在臨床實(shí)踐中積極使用的功能性電刺激 (FES) 使用計算機(jī)控制的信號。通過這種設(shè)置，對神經(jīng)病變患者不再可任意控制的肌肉施加電刺激以誘導(dǎo)肌肉收縮，即使它們被限制在特定的空間中，也會導(dǎo)致生物體內(nèi)的功能有用的運(yùn)動。然而，這種傳統(tǒng)方法存在局限性，不適合在患者日常生活中長期使用，因為它們涉及復(fù)雜的數(shù)字電路和計算機(jī)進(jìn)行信號處理以刺激肌肉，在此過程中消耗大量能量且生物相容性差。

為了解決這個問題，研究小組成功地僅使用人工神經(jīng)控制小鼠的腿部運(yùn)動，而無需使用復(fù)雜而笨重的外部計算機(jī)，使用可拉伸、低功率的有機(jī)納米線神經(jīng)形態(tài)裝置，模擬生物神經(jīng)纖維的結(jié)構(gòu)和功能?？衫斓娜嗽焐窠?jīng)由一個模擬本體感受器的應(yīng)變傳感器、一個模擬生物突觸的有機(jī)人工突觸和一個用于將信號傳輸?shù)酵炔考∪獾乃z電極組成。

研究人員以類似于生物神經(jīng)的原理，根據(jù)傳遞到人工突觸的動作電位的發(fā)射頻率，調(diào)整小鼠腿的運(yùn)動和肌肉的收縮力，使人工突觸實(shí)現(xiàn)更順暢、更自然腿部動作比通常的 FES。

此外，人工本體感受器檢測鼠標(biāo)的腿部運(yùn)動，并實(shí)時反饋給人工突觸，防止腿部運(yùn)動過度導(dǎo)致肌肉損傷。

研究人員成功地讓一只癱瘓的老鼠踢球或在跑步機(jī)上行走和奔跑。此外，研究小組通過從運(yùn)動動物的運(yùn)動皮層采集預(yù)先記錄的信號并通過人工突觸移動小鼠的腿，展示了人造神經(jīng)在未來對自主運(yùn)動的適用性。

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