《Muscle & Nerve》：Regenerative Peripheral Nerve Interface (RPNI) Surgery for Naturalistic Prosthetic Control
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肢体功能丧失仍是全球范围内影响数百万人的重大公共卫生挑战，可导致高致残率、失业和慢性疼痛。现有神经假体装置（neuroprosthetic devices）受限于不直观的控制方式和较差的长期具身化（embodiment）。虽然可植入神经接口（implantab
肢体功能丧失仍是全球范围内影响数百万人的重大公共卫生挑战，可导致高致残率、失业和慢性疼痛。现有神经假体装置（neuroprosthetic devices）受限于不直观的控制方式和较差的长期具身化（embodiment）。虽然可植入神经接口（implantable neural interfaces）在改善假肢功能方面显示出前景，但此类接口通常依赖直接植入周围神经（peripheral nerves），可能造成长期瘢痕形成、信噪比（signal-to-noise ratio, SNR）低以及运动意图（motor intent）解析困难。在本综述中，研究人员将重点介绍再生周围神经接口（regenerative peripheral nerve interface, RPNI）作为克服上述挑战的潜在解决方案。RPNI手术涉及将横断的周围神经或神经束（nerve fascicles）植入游离肌肉移植物（free muscle grafts），后者发生再神经支配（reinnervation）并放大神经信号。临床前研究已证明，RPNI可长期保持健康，并提供高保真、稳定的电生理信号放大（electrophysiologic signal amplification）。临床研究进一步证实，RPNI能够产生选择性、稳健的信号，用于无需重新校准的实时假肢控制。本综述还将重点介绍真皮感觉再生周围神经接口（dermal sensory RPNI, DS-RPNI）和复合再生周围神经接口（composite RPNI, C-RPNI）等衍生构型，以促进来自假肢的感觉反馈（sensory feedback）。此外，研究人员还将讨论肌袖再生周围神经接口（muscle cuff RPNI, MC-RPNI），该构型可用于与完整周围神经（intact peripheral nerves）相接，以实现神经信号采集（neural signal acquisition）和外骨骼控制（exoskeleton control）。这些创新凸显了RPNI作为一种稳定且具有临床意义的神经接口的多功能性，能够为直观假肢控制提供高保真信号传导。通过改善功能控制，RPNI代表了朝着直观假肢具身化和改善肢体缺失或神经损伤患者功能结局（functional outcomes）迈出的有前景的一步。
1 Introduction
肢体缺失与截肢相关功能损害构成显著公共卫生负担。美国每年实施大量重大截肢，现有及预计增加的肢体缺失人群使截肢后功能障碍的临床负担持续上升。上肢截肢者中，现有假肢系统难以提供直观、自然化的控制，肌电假肢（myoelectric prostheses）弃用率较高，且部分肌电假肢相较身体驱动假肢并无显著功能优势。理想假肢应同时具备高保真运动控制信号以及有意义的触觉或本体感觉反馈（proprioceptive somatosensory feedback），从而促进功能整合和假肢具身化，而这依赖于稳定、可靠的神经接口以实现传入与传出信号传导。现有假肢接口技术各有局限：表面肌电接口（surface electromyography, sEMG）虽最常用，但依赖残肢残存支配肌肉，信号可因截肢平面和损伤机制而受限或缺失，表面电极还存在稳定性、耐久性不足和需重新校准等问题，感觉反馈能力有限，并受肌肉萎缩和皮肤变化影响。周围神经接口（peripheral nerve interfaces），包括神经外袖套电极（extraneural cuff electrodes）和穿透式电极（penetrating electrodes），可直接利用周围神经系统（peripheral nervous system, PNS）的感觉运动信号，但传出运动动作电位幅度低、神经特异性有限，且留置电极可引起神经压迫或异物反应，导致信号随时间退化，低信噪比（SNR）限制临床适用性。因此，需要开发无需直接与神经或神经束相接、能够获取高保真周围神经信号并放大至临床有意义水平且增强感觉反馈的神经接口。
2 The Regenerative Peripheral Nerve Interface (RPNI) and Motor Prosthetic Control
RPNI作为一种生物性周围神经接口被开发，用于长期、稳定地放大传出运动动作电位以控制假肢，并提供从假肢到周围神经的感觉反馈。RPNI手术将残余横断神经或神经束植入约3 cm × 1.5 cm × 0.5 cm的自体游离骨骼肌移植物（autogenous free skeletal muscle graft）中；随着时间推移，肌肉移植物发生再神经支配，使传出运动动作电位经RPNI显著放大并可被记录。由此，周围神经传导的小幅运动动作电位可引起RPNI收缩并产生大幅、可记录的肌电信号（electromyography, EMG），经解码后可转化为假肢运动命令。该策略不仅放大低幅传出运动动作电位，还避免器件直接与周围神经相接，从而规避低幅信号和留置电极异物反应所致信号退化问题；同时，RPNI提供空间分隔，使多个神经或神经束产生独立控制信号。临床前动物研究支持其作为稳定生物性接口的可行性：大鼠模型显示RPNI植入后长期存活，肌肉移植物内可见肌肉再生、血管化、轴突出芽和突触形成；刺激RPNI近端神经可记录到毫伏级复合肌肉动作电位（compound muscle action potentials, CMAPs），而直接记录神经信号为微伏级，信噪比更优。进一步研究显示，RPNI转导信号与步态和踝关节运动相关，并可实现实时神经假肢控制且相邻肌肉串扰较小；单个RPNI可控制单自由度（degree of freedom, DOF）假手，相邻神经RPNI可产生拮抗性EMG信号且信号污染小；非人灵长类模型中高SNR自主EMG信号可记录长达20个月，提示长期稳定性。临床 pilot 研究与试验显示，RPNI在截肢患者中可长期监测，超声可见幻指运动时RPNI构型动态变化，证据支持功能性再神经支配；经皮双极电极植入多个RPNI后，可同时控制多神经，记录信号与意图运动相符，平均SNR达82.8，并在随访期内实现持续实时假肢控制而无需信号重新校准。早期可行性研究将肌内电极植入RPNI，记录到大幅且功能适当的EMG信号；经桡动脉截肢患者中，植入电极后可选择性实时控制虚拟假手的单个手指和腕部运动，九种手指和腕部姿势保持成功率达94.7%，采集时间255 ms，多抓握功能评估较表面EMG显著改善。此外，RPNI手术在成人和儿童截肢时实施可减少症状性神经瘤形成、显著减轻幻肢痛，并减少术后麻醉药和镇痛药使用。总体而言，RPNI可在不同截肢平面提供高保真、稳定的运动信号放大，并减少神经瘤和幻肢痛。
3 Potentiation of Bidirectional Sensorimotor Feedback (Ds-RPNI/C-RPNI)
自然化肢体功能恢复依赖双向、感觉运动闭环神经控制，需要实时协调的高保真运动控制与感觉反馈。RPNI的肌肉移植物含大量神经肌肉接头（neuromuscular junctions, NMJs），为运动轴突再神经支配提供靶点；同时含高尔基腱器官（Golgi tendon organs, GTOs）和肌梭细胞等感觉终器，为感觉轴突提供支配靶点。研究还表明，通常支配真皮机械感受器的皮肤感觉传入可再神经支配肌肉内感觉靶点，因此RPNI可同时为传出运动轴突、肌肉感觉传入和皮肤感觉传入提供再神经支配靶点；人体试验中RPNI内皮肤感觉传入也可提供感觉传入反馈。经桡动脉截肢患者中，电刺激RPNI可产生躯体定位准确的幻手皮肤和本体感觉。然而骨骼肌缺乏皮肤中覆盖全部感觉模态的感觉终器，故RPNI感觉能力在感觉质量上有限。为此，DS-RPNI将感觉优势神经植入去上皮真皮移植物（de-epithelialized dermal graft），其存活及感觉终器再神经支配已获证实，机械和电刺激可产生分级复合感觉神经动作电位（compound sensory nerve action potentials, SNAPs），与正常支配皮肤刺激模式相似，且未见神经瘤形成组织学证据。多数周围神经并非纯运动或纯感觉神经，而含感觉和运动轴突，且感觉与运动轴突比例可较高；即使“纯运动”神经中多数轴突也为感觉传入。为同时记录传出运动动作电位并提供感觉传入反馈，C-RPNI将用于放大和记录传出运动动作电位的RPNI与提供皮肤感觉反馈的DS-RPNI结合，由横断周围神经植入自体骨骼肌移植物和真皮移植物之间构成。C-RPNI利用混合周围神经的优先再神经支配特性，使运动轴突再支配肌肉NMJs、肌肉传入再支配肌肉GTOs和肌梭、皮肤传入再支配真皮移植物皮肤感觉终器；该构型还提供空间分隔靶点以减少串扰和信号污染，并实现双向信号传导。C-RPNI的组织学可行性和再神经支配已获证实，感觉和运动轴突分别优先再神经支配真皮和肌肉成分；肌肉成分原位电生理测试显示传出运动动作电位显著放大至毫伏级，SNR平均30–50；刺激真皮成分可产生近端可记录的cSNAPs。上述研究提示C-RPNI有潜力重建双向感觉运动闭环并与假肢装置整合。
4 Muscle Cuff-RPNI (Mc-RPNI) for Exoskeleton Control
外骨骼越来越多用于协助神经损伤或特定肌肉骨骼疾病患者，提供康复和辅助功能，改善移动能力和日常生活活动。下肢动力外骨骼可改善脊髓损伤或瘫痪患者步态、移动能力和次级健康结局。然而其控制依赖表面脑电图（electroencephalogram, EEG）、EMG信号或植入电极，易受其他组织干扰、信号随时间退化、微动、邻近肌肉活动和皮肤质量变化影响，信号保真度较低；肢体无力或部分瘫痪患者残存肌肉信号幅度过低，难以提供可靠稳定的外骨骼控制信号。为此，MC-RPNI作为原始RPNI的创新被开发，用于与完整周围神经相接。MC-RPNI由游离骨骼肌移植物环绕固定于完整周围神经构成，随后发生血管化、再生，并通过完整神经内轴突侧支出芽（collateral sprouting）实现再神经支配；再神经支配后的MC-RPNI放大传出运动动作电位，提供有利SNR以控制外骨骼。大鼠模型显示MC-RPNI具有存活性和生理信号传导特性，信号放大10–20倍，同时保留远端支配肌肉功能。因此，MC-RPNI有前景作为生物性构型，在不依赖留置神经内或表面电极的情况下，为肢体无力或瘫痪患者的外骨骼控制提供接口。
5 Summary
RPNI及其衍生构型分别针对双向假肢控制的不同环节。各构型在支持性基础研究数量和患者临床观察程度方面存在差异。RPNI（肌肉）主要用于传出运动信号转导和放大以控制假肢，并预防神经瘤和幻肢痛，已从啮齿类和非人灵长类研究推进至人体临床试验，代表性发现包括毫伏级CMAPs相较微伏级直接神经信号、非人灵长类长达20个月的高SNR自主信号、人体平均SNR约82.8且无需重新校准的实时多指控制，以及神经瘤和幻肢痛减少。DS-RPNI（真皮）主要用于皮肤感觉传入反馈，目前处于啮齿类临床前阶段，代表性发现为机械和电刺激产生与正常支配皮肤可比的分级复合SNAPs。C-RPNI（肌肉/真皮）旨在实现双向运动传出信号和皮肤感觉传入反馈，目前处于啮齿类临床前阶段，代表性发现为运动纤维优先至肌肉、感觉纤维优先至真皮再神经支配，毫伏级CMAPs（SNR约30–50）及可记录皮肤SNAPs。MC-RPNI（肌肉）旨在从完整神经获取运动传出信号以控制外骨骼，目前处于啮齿类临床前阶段，代表性发现为信号放大10–20倍且保留远端支配肌肉功能。
5.1 Quality and Level of Reinnervation
任何RPNI基接口的性能主要取决于再神经支配的程度和质量。信号放大源于再生传出运动轴突在游离肌肉移植物内形成新的NMJs，将小幅传出运动动作电位转化为大幅EMG信号。记录EMG信号的幅度、选择性和长期稳定性取决于肌肉再神经支配的密度和成熟度；稀疏或组织紊乱的再神经支配产生低幅、选择性较差信号，而稳健再神经支配产生临床前和临床研究中报道的毫伏级CMAPs和高SNR。对于感觉恢复，RPNI内残存肌梭和GTOs的感觉传入再神经支配，以及DS-RPNI和C-RPNI真皮成分内皮肤终器再神经支配，最终决定感觉信号质量；可诱发感觉的保真度和模态特异性受这些终器再神经支配方式及移植物组织内终器可用性的限制。多种损伤和患者层面因素损害神经再生和终器再神经支配，进而影响接口性能。影响运动和感觉轴突再生的关键因素包括供体神经或神经束健康状态、神经损伤慢性化程度、相关轴突丢失和神经内膜纤维化（endoneurial fibrosis）程度，以及高龄、糖尿病和外周血管疾病等全身因素。此类变异性可能促成早期可行性研究和 pilot 试验中信号质量与功能结局的异质性，因为参与者截肢时间和损伤机制不同。因此，标准化手术技术，包括肌肉或真皮移植物尺寸及RPNI手术时机，是减少变异性和提高结局可预测性的重要研究方向。此外，RPNI再神经支配能否被主动增强日益受到关注。实验模型中，对修复神经进行短暂低频电刺激可加速轴突出芽并增强下游肌肉再神经支配，该效应已转化至人体神经修复；术中或术后早期对植入神经进行短暂电刺激可能加速成熟、提高再神经支配密度并改善RPNI长期信号质量，但仍需系统验证。
5.2 RPNIs In the Context of Other Neural Interface Strategies
RPNI是改善假肢神经控制的多种策略之一。传统表面肌电接口无创、相对廉价且广泛可用，功能合理，但受低且变异信号幅度、独立控制位点有限、电极移位和皮肤变化影响。更先进的表面控制方法包括模式识别系统，可提供更多自由度和更高保真控制，但更易受电极移位影响且需重新校准，并且只能记录通过残肢残存支配肌肉或靶向肌肉再神经支配（targeted muscle reinnervation, TMR）产生的肌肉信号，临床效用略受限制。直接与PNS相接可采用神经外或神经内电极，但受低幅传出信号、异物反应和进行性信号退化限制。手术再神经支配策略因而被开发，通过创建稳定的神经活动生物放大器克服上述限制。TMR已获广泛临床采用，将残肢内离断周围神经转移至局部支配肌肉的运动分支，使再生运动轴突再神经支配肌肉靶点，再神经支配后肌肉产生可解码的表面EMG信号以直观实时控制多功能假肢，并减少神经瘤痛和幻肢痛；随机临床试验显示其优于标准神经瘤切除和肌肉埋置。由于TMR依赖合适受体运动神经和可牺牲靶肌肉，其控制位点数量有限。RPNI手术是概念上互补的方法，通过将残肢内离断神经末端与小型游离肌肉移植物相接，从新创建EMG控制信号；周围神经或神经束再神经支配肌肉移植物，提供多个独立选择性假肢控制信号，且可应用于任何截肢平面。两种技术并不互斥，甚至可将TMR神经转移与带血管蒂RPNI联合以最大化控制位点和再神经支配。对于感觉恢复，靶向感觉再神经支配（targeted sensory reinnervation, TSR）将横断周围神经皮肤传入重定向至皮肤，使机械接触该皮肤再神经支配区域诱发指向缺失肢体的感觉；TSR提供无创、自然激活的感觉表面，但感觉图谱固定于再神经支配皮肤，仅通过物理接触激活，而非通过假肢可编程反馈。DS-RPNI和C-RPNI则旨在重建可电刺激选择性激活的离散传入通道，以递送与假肢传感器同步的闭环反馈，并可提供躯体定位准确的感觉反馈，这对高保真假肢控制至关重要。
5.3 Limitations and Barriers to Clinical Translation
尽管已有大量临床和临床前数据支持RPNI及其衍生构型用于更自然化控制，但其广泛临床采用仍存在障碍。稳健解码算法及与商用假肢系统的无缝整合仍是工程挑战。此外，尽管DS-RPNI和C-RPNI具备完整皮肤感觉终器谱系，自然化反馈的最佳刺激范式仍未解决，诱发感觉的质量仍待阐明。部分障碍正通过实验研究积极解决，以推动这些构型从临床前模型向人体应用转化。最终目标是开发兼容技术，使RPNI来源信号能够实现自然化运动。因此，RPNI研究的轨迹指向若干优先事项：首要是将DS-RPNI、C-RPNI和MC-RPNI从临床前验证转化至人体研究；其次，需要开发高分辨率可植入系统以记录运动信号并递送可编程感觉刺激，实现神经假体装置闭环控制；改善感觉反馈的分辨率和自然“感觉”将是实现假肢具身化的关键；最终，实现RPNI全部潜力需要更大规模对照试验，将耐久、高保真神经信号与先进假肢硬件结合，以提供直观且持久的假肢功能。
6 Conclusion
RPNI通过提供稳定的生物性假肢控制接口，是假肢装置整合的重要一步。RPNI利用机体固有再神经支配能力，克服传统侵入性神经接口的局限，实现稳定高保真运动信号传导，同时降低神经瘤形成和神经病理性疼痛风险。DS-RPNI、C-RPNI和MC-RPNI等衍生构型进展进一步扩展了该接口促进假肢感觉运动反馈及外骨骼控制的潜力。总体而言，临床前和临床证据强调RPNI在提供直观长期控制和有意义感觉整合方面的前景，最终可增强假肢具身化并改善肢体缺失和神经损伤患者的功能结局。
