一块不再受大脑控制的肌肉听起来可能毫无用处。麻省理工学院的研究人员正试图将这一理念转化为医学应用。
在发表于《自然·通讯》的一项研究中，研究团队描述了一种名为肌神经致动器(myoneural actuator，简称MNA)的新型植入物。它利用经过外科手术重新连接的活体骨骼肌，使计算机而非大脑能够控制它。在啮齿类动物测试中，该系统恢复了小肠的收缩运动，同时还将感觉信号传回大脑，这为未来可能帮助恢复器官功能和重建部分丧失的身体感觉的植入物带来了希望。
这项研究由麻省理工学院媒体实验室、K. Lisa Yang仿生学中心和麦戈文脑研究所的研究人员共同完成。资深作者休·赫尔(Hugh Herr)与博士后吉列尔莫·埃雷拉-阿尔科斯(Guillermo Herrera-Arcos)以及前博士后宋亨根(Hyungeun Song)共同领导了这项研究。
(图片说明：麻省理工学院研究人员(从左至右)宋亨根、吉列尔莫·埃雷拉-阿尔科斯和休·赫尔开发了首个"活体"植入物，该植入物利用重新连接的感觉神经来恢复瘫痪器官的功能。(来源：JimDay))
为不同工作重新连接肌肉
这一想法源于一个顽固的医学难题。许多器官依赖运动，但一旦神经系统与这种运动之间的联系断裂，恢复它就变得非常困难。机械设备可能笨重、难以微型化，并且不适合人体。而实验室培养的肌肉则仍然复杂，远未达到临床应用阶段。
因此，麻省理工团队采取了不同的方法。他们没有从头开始构建新的致动器，而是重新改造了体内的现有肌肉。
"我们改造现有肌肉，使其成为一种致动器或马达，能够恢复器官的运动，"宋亨根说道。
为此，研究人员移除了肌肉正常的运动神经输入，并用感觉神经取而代之。这听起来有些反直觉，但它实现了两个目的。首先，它让肌肉保持活性和功能性。其次，它将控制权从大脑转移到了使用功能性电刺激的计算机控制系统。
"你不希望大脑有意识地控制肌肉致动器，因为你希望致动器能自动控制器官，比如心脏，"埃雷拉-阿尔科斯解释道。
意外的神经连接
该研究的一个核心发现是，感觉神经能够在这一背景下实现科学家此前尚未明确证实的功能：重新神经支配肌肉并形成有效的神经肌肉接头。
(图片说明：肌神经致动器(MNA)用于生物混合系统。控制器官致动的能力促进了人类生物学的调节。(来源：《自然·通讯》))
"令人惊讶的是，当研究团队用啮齿类动物肌肉中的感觉神经替代运动神经时，感觉神经重新神经支配了肌肉并形成了功能性突触。这是一个重大发现，"埃雷拉-阿尔科斯说道。
研究团队使用啮齿类动物的外侧腓肠肌作为基础致动器，以腓肠神经进行感觉神经重新支配。组织学检查显示，感觉神经的轴突尺寸比原生运动神经更小且更均匀。这一点很重要，因为普通运动神经在电刺激下往往先招募大轴突，这会使肌肉迅速疲劳。
相比之下，感觉神经分布信号更为均匀。
这一改进效果显著。在持续刺激下，重新连接的肌肉比原生肌肉的抗疲劳能力提高了260%，持续时间为18.67±2.96秒，而对照组仅为5.19±1.16秒。在重复刺激测试中，它也失去力量更慢，产生更稳定的输出。
研究人员还发现，在重新神经支配完成后，致动器的质量和力量在手术后9至15周内保持稳定，无需外部干预，尽管在重新神经支配过程中损失了一些质量。
从截肢到肠道
随后，研究团队测试了这种"活体"致动器在生物混合系统中的工作情况。
(图片说明：肌神经致动器在啮齿类动物模型中的应用及从中枢神经系统到通过计算机控制的功能性刺激的重新定向MNA神经通路示意图。LG：外侧腓肠肌，TN：胫神经，SN：腓肠神经，NMJ：神经肌肉接头。(来源：《自然·通讯》))
在一个概念验证设置中，研究人员设计了所谓的本体感觉机械神经接口(Proprioceptive Mechanoneural Interface，简称PMI)，用于截肢情况。在啮齿类动物中，他们将重新连接的致动器连接到另一块旨在模拟截肢肢体残余肌肉的肌肉上。随着致动器输出的增加，该终端器官的应变也增加，调节后的神经传入信号也随之增加。这表明该系统未来可能帮助假肢使用者获得更自然的感官反馈。
在另一项演示中，研究人员将致动器包裹在啮齿类动物的小肠周围。光流分析显示，致动器和小肠的运动保持高度同步，表明该植入物能够机械地调节器官运动。
"这表明我们的技术可以将器官与大脑无缝连接，"宋亨根说道。"例如，我们可能能够让瘫痪的胃传递饥饿感。"
作者指出，该技术未来可能应用于损害肠道收缩的疾病，包括肠梗阻、糖尿病肠病和克罗恩病。他们还提到了更长期的可能性，涉及膀胱、肺部、皮肤移植，甚至与虚拟现实相关的系统，其中机械刺激可用于创建感官反馈形式。
仍存在的障碍
该研究是在啮齿类动物中进行的，研究人员明确表示，在任何临床应用之前，需要进行更大动物的测试，最终还需要进行人体研究。
他们还指出了一些未解决的问题。确切的重新神经支配机制仍需进一步研究，包括哪些神经纤维主要负责在致动器中观察到的胆碱能信号传递。团队表示，当致动器与目标器官耦合时，评估长期稳定性也是必要的。在某些情况下，来自刺激的意外感觉或疼痛可能需要可逆的神经阻断。对于涉及心脏的应用，电隔离至关重要，因为过去的研究表明，当骨骼肌和心肌相互作用不当时，可能会出现危险的心律问题。
(图片说明：a)原生肌肉和MNA的代表性连续抽搐力响应(n=每块肌肉450个周期)。b)两个队列的连续抽搐力响应汇总(n=每块肌肉450个周期)。(来源：《自然·通讯》))
尽管如此，研究人员指出，这种方法可能比最初看起来更具临床可行性。它依赖于已在其他环境中使用的重建外科技术，以及医学中已经常见的神经袖电极和脉冲发生器。由于它使用患者自身的肌肉，它可能避免了与供体组织或工程植入物相关的某些感染、排斥和免疫抑制问题。
研究的实际意义
这项研究指向了一种不同类型的医疗设备，它由患者自身的活体组织构建，而不是完全合成的机器。
如果这种方法在更大规模的研究中得到证实，它可能为神经损伤后帮助器官恢复运动、改善假肢使用者的感官反馈，以及创建更自然地与身体协同工作的生物混合植入物提供新途径。
研究结果已在线发表在《自然·通讯》期刊上。
原始故事"世界首个'活体'植入物有望帮助瘫痪器官恢复运动"发表于《The Brighter Side of News》。
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