资讯速递｜MIT 研发新型神经接口系统：将肌肉转化为生物电机并实现瘫痪器官功能恢复

MIT 的研究人员（从左至右）Hyungeun Song、Guillermo Herrera-Arcos 和 Hugh Herr 开发出首个“活体”植入装置，该装置通过重新连接的感觉神经来恢复瘫痪器官的功能 | 图片来源：Jim Day

长期以来，科学界一直试图恢复瘫痪器官的功能，但要同时实现与神经系统通信且不产生疲劳的技术极具挑战。一些研究尝试将微型执行器（用于驱动仿生肢体的小型机械装置）植入体内，但 Herrera-Arcos 指出：“在厘米尺度上制造执行器非常困难，而且效率并不高。”也有研究致力于在实验室中培养肌肉组织，但逐个细胞构建肌肉不仅耗时，而且距离临床应用仍有较大距离。

Herr 团队选择了另一条路径。

“我们将现有肌肉工程化，使其转变为一种执行器或电机，从而恢复器官的运动功能。”Song 表示。

为实现这一点，研究人员必须在神经系统复杂而精细的机制中找到平衡。执行器需要与神经系统建立连接，但又必须绕开大脑的直接控制。“我们并不希望大脑有意识地控制这个肌肉执行器，因为它需要自动调控器官，比如心脏。”Herrera-Arcos 解释说。通过计算机控制肌肉来驱动器官，可以实现自动化运作，同时避开受损的大脑通路。

将运动神经元整合进执行器或许可以产生运动，但这些神经元直接受大脑控制。“而感觉神经元的功能是接收信息，而不是发出指令。”Song 表示，“我们想到可以利用这一特性，将运动信号通过感觉神经纤维重新路由，让计算机而非大脑成为肌肉的控制中心。”

要实现这一点，感觉神经必须能够与肌肉顺畅融合，而此前尚不清楚这种连接是否可行。令人惊讶的是，当研究团队将啮齿动物肌肉中的运动神经替换为感觉神经后，“这些感觉神经重新支配了肌肉，并形成了功能性突触，这是一个重大发现。”Herrera-Arcos 表示。

此外，感觉神经元不仅使数字控制成为可能，还显著降低了肌肉疲劳。在啮齿动物实验中，其抗疲劳能力相比天然肌肉提升了260%。这是因为肌肉疲劳在很大程度上取决于轴突（连接肌肉的“电缆状”结构）的直径。运动神经轴突大小差异较大，在电刺激下，较大的轴突会优先激活，从而迅速导致疲劳；而感觉神经轴突大小相近，信号可以更均匀地分布到肌纤维中，从而避免疲劳。

研究团队将上述机制整合，构建出一种抗疲劳的生物混合电机——肌神经执行器（MNA）。当他们将该装置包裹在一只瘫痪的啮齿动物肠道上时，成功恢复了器官的收缩运动。他们还在模拟人类下肢截肢残余肌肉的实验中，实现了对小腿肌肉的控制。更重要的是，MNA 系统能够将感觉信号传回大脑。“这表明，我们的技术可以在器官与大脑之间建立无缝连接。例如，未来或许可以让瘫痪的胃重新向大脑传递饥饿信号。”Song 表示。

要将该技术应用于临床，还需要在更大型动物模型以及人体中进一步验证。但如果能够通过监管审批，这一系统有望为恢复静止器官功能提供更安全、更可行的路径。研究人员指出，植入 MNA 所需的手术在临床上已较为常见，其实施可能比机械装置或器官移植更简单，也更安全，因为后者往往需要引入外来材料。

研究团队认为，这项技术有望改善数百万器官功能障碍患者的生活。“目前的解决方案大多是合成设备，例如起搏器等机械辅助装置。而将活体肌肉执行器植入受损器官旁边，它本身就是身体的一部分。这是一种不同于现有临床实践的医学类别。”Herrera-Arcos 表示。

Song 还提到，皮肤是一个重要的潜在应用方向。“理论上，我们可以将 MNA 包裹在皮肤移植组织周围，从而传递应变或张力等触觉反馈，而这正是目前假肢用户所缺失的。”此外，这项技术甚至可能扩展到虚拟现实领域。“如果将 MNA 系统与皮肤和肌肉连接，一个人或许能够感受到虚拟化身所接触的事物，即使现实中的身体并未移动。”

“我们的研究正处在一个临界点，可能为身体的多个部位及其延展赋予新的生命。”Herrera-Arcos 补充说，“令人兴奋的是，这一系统或许能够以过去只存在于科幻中的方式，拓展人类的能力。”

该研究部分由 MIT 的 Yang Tan Collective、K. Lisa Yang 仿生中心、Nakos Family 仿生研究基金以及 Carl and Ruth Shapiro 基金会资助。