新的光遗传学方法可减少疲劳

　　

对于瘫痪或截肢的人来说，用电流人工刺激肌肉收缩的神经假肢系统可以帮助他们恢复肢体功能。然而，尽管经过多年的研究，这种类型的假体并没有被广泛使用，因为它会导致肌肉快速疲劳和控制能力差。

麻省理工学院的研究人员已经开发出一种新的方法，他们希望有一天可以更好地控制肌肉，减少疲劳。他们使用光来代替电来刺激肌肉。在一项对鼠的研究中，研究人员表明，这种光遗传技术提供了更精确的肌肉控制，同时显著减少了疲劳。麻省理工学院K. Lisa Yang仿生学中心联合主任，麻省理工学院麦戈文大脑研究所副成员Hugh Herr说:“事实证明，通过光遗传学，人们可以更自然地控制肌肉。就临床应用而言，这种类型的接口可能具有非常广泛的用途。”

光遗传学是一种基于基因工程细胞表达光敏蛋白的方法，研究人员可以通过将这些细胞暴露在光线下来控制它们的活性。这种方法目前在人类身上还不可行，但Herr、麻省理工学院的研究生Guillermo Herrera-Arcos和他们在K. Lisa Yang仿生学中心的同事们正在研究将光敏蛋白安全有效地输送到人体组织中的方法。

Herr是这项研究的资深作者，该研究发表在今天的《Science Robotics》杂志上。Herrera-Arcos是这篇论文的主要作者。

Optogenetic控制

几十年来，研究人员一直在探索使用功能性电刺激(FES)来控制身体肌肉。这种方法包括植入刺激神经纤维的电极，使肌肉收缩。然而，这种刺激往往会立即激活整个肌肉，这不是人体自然控制肌肉收缩的方式。

Herr说:“人类有这种难以置信的控制保真度，这是通过肌肉的自然招募来实现的，随着信号强度的增加，小的运动单元，然后是中等大小的运动单元，然后是大的运动单元。在FES中，当你人为地用电刺激肌肉时，最大的单位首先被招募。所以，当你增加信号时，一开始你没有得到力，然后突然你得到了很大的力。”

这种巨大的力量不仅使实现精细的肌肉控制变得更加困难，而且还会在5到10分钟内迅速消耗肌肉。

麻省理工学院的团队想看看他们能否用不同的东西取代整个界面。他们决定用光遗传学的光学分子机器来控制肌肉收缩，而不是电极。

研究人员将小鼠作为动物模型，比较了他们使用传统FES方法和光遗传学方法产生的肌肉力量。在光遗传学研究中，他们使用了已经通过基因工程表达一种称为通道视紫红质-2的光敏蛋白的小鼠。他们在胫骨神经附近植入了一个小光源，胫骨神经控制着小腿的肌肉。

研究人员在逐渐增加光刺激量的过程中测量了肌肉力量，发现与FES刺激不同，光遗传控制使肌肉收缩稳定、逐渐增加。

“当我们改变传递给神经的视觉刺激时，我们可以以几乎线性的方式按比例控制肌肉的力量。这与大脑信号控制肌肉的方式类似。正因为如此，与电刺激相比，控制肌肉变得更容易，”Herrera-Arcos说。

抗疲劳强度

利用这些实验的数据，研究人员创建了一个光遗传肌肉控制的数学模型。这个模型将进入系统的光量与肌肉的输出(产生多少力)联系起来。

这个数学模型允许研究人员设计一个闭环控制器。在这种类型的系统中，控制器发出刺激信号，肌肉收缩后，传感器可以检测肌肉施加的力量。这些信息被发送回控制器，控制器计算是否需要调整光刺激，以及需要调整多少光刺激才能达到所需的力。

使用这种类型的控制，研究人员发现肌肉可以在疲劳前刺激一个多小时，而肌肉在使用FES刺激仅15分钟后就会疲劳。

研究人员目前正在努力克服的一个障碍是如何安全地将光敏蛋白输送到人体组织中。几年前，Herr的实验室报告说，在鼠身上，这些蛋白质可以引发免疫反应，使蛋白质失活，也可能导致肌肉萎缩和细胞死亡。

“K. Lisa Yang仿生学中心的一个关键目标就是解决这个问题，”Herr说。“一项多管齐下的努力正在进行，以设计新的光敏蛋白，以及在不引发免疫反应的情况下传递它们的策略。”

Herr的实验室还在研究可用于测量肌肉力量和长度的新型传感器，以及植入光源的新方法。如果成功，研究人员希望他们的策略可以使中风、肢体截肢、脊髓损伤以及其他肢体控制能力受损的人受益。

Herr说:“这可能会导致一种微创策略，改变患有肢体病理的人的临床护理。”

这项研究是由麻省理工学院K. Lisa Yang仿生学中心资助的。