闭环光遗传学神经调控实现高保真抗疲劳肌肉控制
闭环光遗传学神经调控实现高保真抗疲劳肌肉控制
背景介绍
骨骼肌是动物和人类几乎所有运动的生物执行器。然而，在多种神经系统条件下，中枢神经系统与神经肌肉组件之间的通信通道被切断，从而导致运动障碍如瘫痪。神经假肢(NP)可以通过人工刺激传递精确命令来替代缺失的神经输入，以恢复肌肉功能。然而，现有的功能性电刺激(FES)由于其非生理性的肌肉单位募集机制，难以准确调节肌肉力量，并表现出快速疲劳。这迫使研究人员寻找新的刺激方式，以提供可靠的长时间渐进肌肉调节。
近年来，功能性光遗传刺激(FOS)作为一种将光用于遗传修饰神经细胞的技术，展现出了按序募集运动单元的潜力，为神经假肢提供了一种新的神经调节策略。然而，刺激参数与力生成之间的关系仍不清楚，亟需研究。
论文来源
本论文由Guillermo Herrera-Arcos, Hyungeun Song, Seong Ho Yeon, Omkar Ghenand, Samantha Gutierrez-Arango, Sapna Sinha和Hugh Herr等人撰写。这项研究隶属于麻省理工学院(MIT)的K. Lisa Yang Center for Bionics, Media Lab, McGovern Institute for Brain Research, 和Harvard-MIT Division of Health Sciences and Technology。论文发表于2024年5月22日的《Science Robotics》期刊。
研究流程及细节
实验流程详述
本研究通过三个主要实验来验证光遗传刺激(FOS)是否可以实现高保真并抗疲劳的肌肉力量控制：
开环刺激实验：首先，作者进行开环刺激以机制性地表征力量调制特性。通过对比FES和FOS，发现后者在间隔更长时间脉冲期间表现出更高的力量调制精度，并且能够按序募集运动单元。
系统鉴定实验：接下来，使用动态丰富的信号对肌肉进行刺激，以开展系统识别程序，准确描述光遗传刺激肌肉的高度非线性动态。这一过程涉及建立包含静态非线性、线性动态系统和生物物理模型的光遗传神经肌肉模型。
闭环控制实验：最后，基于上述模型，设计闭环控制器，并在短时和长时段评估其表现。实验证明，FOS在闭环控制中的表现优于FES，实现了高保真和抗疲劳的肌肉力量控制。
主要研究结果
阶段一：开环刺激实验
在开环实验中，研究团队揭示了FOS的力量调制特性，该特性表现出更多的生理性募集和显著更高的调制范围(超过320%)，相比FES。FOS在近端和远端刺激时显示出不同的力学行为，远端刺激表现出更持续的力量生成和一致的稳态值，表明光遗传刺激可能更适用于远端部位。
阶段二：神经肌肉模型的构建
基于上述结果，研究团队开发了一个 biophysical 模型，其准确描述了光遗传刺激肌肉的高度非线性动态。该模型包括静态非线性(SNL)、opsin 动态系统(ODS)和线性动态系统(LDS)。通过量化光遗传刺激和电刺激的募集特性，FOS表现出更高的分辨率和更线性的力调制方式。
阶段三：闭环控制实验
研究者设计了一个包含反馈和前馈元素的闭环控制器来评估肌肉力的可控性。实验结果显示，在方波和正弦波轨迹下，FOS在模型基础控制器下实现了显著更低的误差(FOS-MB 组的误差分别为13.8%，33.5%)，相比仅有反馈控制器，模型基础控制器的调节表现更优。在长期刺激实验中，FOS表现出显著的抗疲劳性，能够持续调节力达62分钟，比FES的约15分钟表现为长。
结论和研究价值
本研究首次提出了通过光遗传神经调节实现高保真抗疲劳肌肉控制的完整框架。FOS不仅展示出更生理性的力量调制机制，同时具备优异的长期抗疲劳性能，有望为功能性神经假肢及光遗传控制的生物混合机器人奠定基础。
这项研究极大地推动了光遗传技术在神经假肢和生物混合系统中的应用潜力，提出了未来研究的关键方向和挑战，尤其是在临床应用中的实际问题。这些发现不仅为神经科学和生物工程的基础研究提供了新的见解，也对开发新一代高性能的神经假肢和生物混合系统具有重要意义！