脊髓受伤的人能走路和跑步吗?利用神经形态技术发现线索

由韩国首尔国立大学材料科学与工程系李泰宇教授和美国斯坦福大学化学工程系鲍哲南教授领导的一个国际研究小组，通过有机人工神经成功地恢复了瘫痪小鼠模型的肌肉运动。研究结果发表在自然生物医学工程．

神经对生命活动至关重要，对生活质量也有重大影响，很容易受到各种原因的损害，如物理损伤、遗传原因、继发性并发症和衰老。此外，神经一旦受损就很难重建，由于生物信号传递不良，它们的部分或全部身体功能会永久丧失。

在各种康复方法中神经损伤功能电刺激(FES)，目前在临床实践中积极使用，使用计算机控制的信号。通过这个设置，电刺激应用于神经病变患者已不能任意控制的肌肉诱导肌肉收缩即使它们被限制在特定的空间内，也会在生物体内产生功能上有用的运动。然而，这种常规方法存在局限性，不适合长期应用于患者的日常生活中，因为它们涉及复杂的数字电路和计算机进行信号处理来刺激肌肉，消耗大量能量，而且在这个过程中生物相容性较差。

为了解决这一问题，研究小组利用可拉伸的低功率有机纳米线神经形态装置，模拟生物神经纤维的结构和功能，在没有复杂而笨重的外部计算机的情况下，仅用人工神经就成功控制了小鼠的腿部运动。可拉伸的人工神经由一个应变传感器组成，该传感器模拟本体感受器，用于检测肌肉运动这是一种模拟生物突触的有机人工突触，以及一种用于向腿部肌肉传递信号的水凝胶电极。

研究人员以类似生物神经的原理，根据传递给人工突触的动作电位的发射频率，调整老鼠腿的运动和肌肉的收缩力，人工突触实现了比普通FES更流畅、更自然的腿部运动。

此外，人造本体感受器检测到老鼠的腿部运动，并实时反馈给人造突触，以防止肌肉损伤由于过度的腿部运动。

研究人员成功地让一只瘫痪的老鼠踢球或在跑步机上行走和跑步。此外，研究小组从运动动物的运动皮层中采样预先记录的信号，并通过人工突触移动小鼠的腿，证明了未来人工神经在自主运动方面的适用性。

研究组通过模拟生物神经网络的行为，发现了作为下一代计算设备而备受关注的神经形态技术(neuromorphic)领域的新应用可能性。

李泰宇教授说:“从过去到现在，尽管医学取得了显著的进步，但神经损伤仍然被认为是一个巨大的科学挑战，如果没有新的突破，它在未来仍然是一个难以解决的问题。本研究为克服这一问题提供了新的突破神经损伤以工程的方式使用神经形态技术，而不是以生物医学的方式，”表达了这项研究的意义。他还补充说:“克服神经损伤的工程方法将为改善那些患有相关疾病和障碍的人的生活质量开辟一条新的道路。”

鲍哲南教授指出了这项研究的潜力，他说:“通过为神经损伤患者开发可拉伸的人工神经，它为患者友好型、更实用的可穿戴神经义肢提供了基石，远离了现有的形式因素。”

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