クローズドループ光遺伝学的神経調節により高忠実度の疲労耐性筋肉制御が可能になる

2024-05-28 Tue
閉環光遺伝学神経制御による高忠実度抗疲労筋肉制御
背景紹介骨格筋は動物や人間のほぼすべての運動を行う生物的な実行装置です。しかし、多くの神経系の条件において、中枢神経系と神経筋構成要素の間の通信経路が切断され、麻痺などの運動障害が生じます。神経義肢（NP）は、人工刺激により精密な命令を伝達することで失われた神経入力を代替し、筋肉の機能を回復させることができます。しかし、既存の機能的電気刺激（FES）は、その非生理的な筋肉ユニットの募集メカニズムにより正確な筋肉力の調節が難しく、迅速な疲労を示します。これが研究者をして、新しい刺激方法を探すよう促し、信頼性のある長時間の漸進的筋肉調節を提供する方法を模索しています。
近年、機能的光遺伝刺激（FOS）は光を用いて神経細胞を遺伝修飾する技術として、運動単位の順次募集の可能性を示し、神経義肢に新しい神経制御戦略を提供しました。しかし、刺激パラメータと力生成の関係はまだ不明であり、研究の必要があります。
論文の出典本論文はGuillermo Herrera-Arcos、Hyungeun Song、Seong Ho Yeon、Omkar Ghenand、Samantha Gutierrez-Arango、Sapna Sinha及びHugh Herrらによって執筆されました。この研究はマサチューセッツ工科大学（MIT）のK. Lisa Yang Center for Bionics、Media Lab、McGovern Institute for Brain Research、及びHarvard-MIT Division of Health Sciences and Technologyに所属しています。論文は2024年5月22日発行の《Science Robotics》誌に掲載されました。
研究フローと詳細実験フローの詳細本研究では、光遺伝刺激（FOS）が高忠実度かつ抗疲労の筋力制御を実現できるかどうかを検証するために、3つの主要な実験を行いました：
開環刺激実験：まず、著者は開環刺激を行い、力調節特性を機構的に特徴付けました。FESとFOSを比較した結果、FOSはより長い間隔のパルス期間でより高い力調節精度を示し、さらに順序通りに運動単位を募集できることが分かりました。
システム識別実験：次に、動的に豊富な信号を筋肉に刺激してシステム識別プログラムを実施し、光遺伝刺激筋肉の高度に非線形な動態を正確に記述しました。この過程には、静的非線形、線形動的システム及び生物物理モデルを含む光遺伝神経筋モデルの構築が含まれます。
閉環制御実験：最後に、上述のモデルを基に閉環制御器を設計し、短期間と長期間のパフォーマンスを評価しました。実験の結果、FOSは閉環制御においてFESを上回るパフォーマンスを示し、高忠実度かつ抗疲労の筋力制御を実現しました。
主要研究結果フェーズ1：開環刺激実験開環実験では、研究チームはFOSの力調節特性を明らかにし、この特性はより生理的な募集と著しく高い調節範囲（320%以上）を示しました。FESと比較して、FOSは近端と遠端刺激の際に異なる力学的行動を示し、遠端刺激ではより持続的な力生成と一貫した定常状態値が見られ、光遺伝刺激が遠端部位により適している可能性が示唆されました。
フェーズ2：神経筋モデルの構築上記の結果に基づき、研究チームは光遺伝刺激筋肉の高度に非線形な動態を正確に記述する生物物理モデルを開発しました。このモデルには、静的非線形（SNL）、オプシン動態システム（ODS）及び線形動態システム（LDS）が含まれます。光遺伝刺激と電気刺激の募集特性を量化することで、FOSはより高い解像度とより線形な力調整方式を示しました。
フェーズ3：閉環制御実験研究者は、フィードバックとフィードフォワード要素を含む閉環制御器を設計し、筋力の可制御性を評価しました。実験結果によると、方波及び正弦波軌跡において、FOSはモデルベースの制御器下で顕著に低い誤差（FOS-MBグループの誤差はそれぞれ13.8%、33.5%）を実現しました。単なるフィードバック制御器と比較して、モデルベース制御器は優れた調整パフォーマンスを示しました。長期間の刺激実験では、FOSは顕著な抗疲労性を示し、約15分のFESと比較して62分まで力の調整を持続できました。
結論と研究の価値本研究は初めて、光遺伝神経制御により高忠実度抗疲労筋肉制御を実現する完全なフレームワークを提案しました。FOSはより生理的な力調節メカニズムを示しただけでなく、優れた長期抗疲労性能を備えており、機能性神経義肢及び光遺伝制御のバイオハイブリッドロボットの基礎を形成する可能性があります。
この研究は光遺伝技術が神経義肢とバイオハイブリッドシステムにおける応用可能性を大きく前進させ、未来の研究のための重要な方向性と課題を提起しました。特に臨床応用における実際の問題に関連しています。これらの発見は、神経科学と生物工学の基礎研究に新たな洞察を提供するだけでなく、次世代高性能神経義肢及びバイオハイブリッドシステムの開発にとっても重要な意義を持っています。