“首先，论文审稿人对可以恢复本体感受这一点非常感兴趣。同时，他们也比较关心功耗的降低。”谈及论文审稿人的评价，新加坡国立大学生物工程系助理教授刘宇鑫如是说。
本体感受（proprioception）能让我们在闭上眼睛后，依然知道自己的手或身体的其他部位处于什么位置。
这是一种非常重要的感知能力。对于那些身患脊柱损伤、运动神经元疾病等在内的神经系统疾病患者来说，伤病阻止了其初级运动皮层的神经信号传递到肌肉，这不仅会导致他们丧失运动能力，还会破坏所拥有的本体感受能力，造成生活质量的严重下降。
现有的细胞和分子治疗可以令受损的神经得到一定的恢复，但对完全恢复神经的运动功能来说，依然十分困难；而传统的神经康复装置能够通过刺激皮下神经或者肌肉，提升神经受损四肢的运动能力，其部分恢复运动功能。
不过，这些装置拥有诸多局限性。比如，传统系统采用冯·诺依曼架构，会消耗大量电力且缺乏生物系统拥有的神经可塑性。使用固定振幅的电脉冲进行刺激，会引起突然和强烈的肌肉收缩，让使用者感到不舒服。
图 | 刘宇鑫（来源：刘宇鑫，实验室网站 www.lab-liu.com）为了更好地解决上述问题，美国斯坦福大学鲍哲南院士团队和韩国首尔大学李泰雨（音，Tae-Woo Lee）教授团队联合，开发了一种具有伸展能力的神经形态植入物（stretchable neuromorphic efferent nerve，SNEN），可帮助身患神经运动障碍的小鼠恢复腿部的协调和运动能力，让他们自如完成走路、跑步、踢球等多种运动。
2022 年 8 月 15 日，相关论文以《一种具有本体感觉反馈的低功率可伸展神经形态神经》（A low-power stretchable neuromorphic nerve with proprioceptive feedback）为题在 Nature Biomedical Engineering 上发表[1]。
韩国首尔大学材料科学与工程系李英俊博士（音，Yeongjun Lee）、刘宇鑫博士和韩国首尔大学材料科学与工程系徐大乔博士（音，Dae-Gyo Seo）共同担任论文第一作者，斯坦福大学化学工程系教授鲍哲南和首尔大学材料科学与工程系李泰雨教授共同担任通讯作者。
图 | 相关论文（来源：Nature Biomedical Engineering）
SNEN：代替受损神经提供功能，帮助瘫痪小鼠重新恢复运动
SNEN 主要由人工本体感受器和可拉伸突触晶体管组成，从材料上看，前者是由碳纳米管（Carbon Nanotube，CNT）应变传感器制备而成，后者是由有机半导体纳米线、离子凝胶和软水凝胶电极制备而成，这些组件都具备强大的可拉伸能力。
图 丨 SNEN 的组件（来源：Nature Biomedical Engineering）SNEN 的工作原理是避开受损的神经，然后向肌肉发送神经形态电信号，从而代替受损神经来提供功能。
刘宇鑫表示：“我们的研究初衷，是帮助神经受损的人恢复相应的运动功能和感知能力。”
图 丨 SNEN 示意图（来源：Nature Biomedical Engineering）研究人员将 SNEN 连接到小鼠的腿部或背部，开始进行实验。仿生输入的动作电位信号先被施加到人工本体感受器上，然后再移动到突触晶体管上。
作为一个分压器的一部分，CNT 应变传感器可在完成肌肉应变测试的同时，对人工本体感受器所输出的电压进行调节；突触前的电压脉冲被施加到突触晶体管的栅极上，产生突触后的漏极输出信号会刺激小鼠腿部运动。
为了进一步探究动作电位的频率对肌肉收缩的影响，研究人员在小鼠后腿的膝关节屈肌处连接了一个突触晶体管。
实验结果显示，动作电位的频率在 1Hz 到 11Hz 之间，最大角位移对应为 6.67° 到 40° 之间，当伸肌动作电位的频率范围为 1≤fAP≤50Hz 时，小鼠后腿的等距力处于 39mN 到 412mN 的范围。
人工电子神经把动作电位的频率（数字信号）转化肌肉刺激电信号大小（模拟信号）。神经形态系统的突触信号放大，本质上代表了电信号的上升，这在不使用函数发生器等其他笨重电子元件的基础上，就能帮助患者改善自然运动能力。
增加 CNT 应变传感器的电阻，可以降低电流，减小 SNEN 在使用过程中的功耗。经过测试，SNEN 的工作损耗约为使用冯·诺依曼架构的传统神经康复装置的 1/150，当 SNEN 处于工作状态时，功耗约为 4.55μW，当它停止响应时，功耗约为 5.33μW。
谈及这项工作的优势之处，刘宇鑫认为主要有三个方面，一是恢复使用者的本体感受能力；二是相较传统神经康复装置，能够极大降低所需能耗；三是整个器件的可拉伸性强，电学性能更加稳定，不会发生设备破裂等问题。
未来有望应用在脊柱损伤或运动神经受损等疾病人群
据刘宇鑫介绍，这项研究是鲍哲南实验室与李泰雨实验室共同合作的项目。该团队决定先做一个简单的测试，但他们并没有按照传统的研究步骤开始，而是先验证了项目中最重要的假设，也就是本体感受能否在动物身上成立。
课题组先在小鼠身上测试输出的电流能否对其肌肉进行控制，以及能否调节小鼠四肢的摆动。测试获得成功后，才开始扩展到具体的设计，逐一验证每个材料和模块的应用。
最终，他们不仅在小鼠身上实现了双脚同时运动，用小鼠模拟了人从走路到跑步的整个状态，还能控制其双腿摆动幅度和力度大小。
图 | 双足步行运动（来源：Nature Biomedical Engineering）因为这项设计是全新方案，所以现在还处于早期验证，也就是临床实验前的小型动物测试阶段。研究人员先从小鼠实现验证，之后可能还会测试包括猴子、猪在内的更大型动物，在所有动物模型测试验证成功后，将开始临床实验阶段。
对于该成果的应用前景，刘宇鑫表示：“这项成果主要应用于那些身患脊柱损伤或运动神经受损等疾病的人群，SNEN 会代替他们受损的神经，直接给予其运动的能力。虽然现在也有这类设备，但它们通常用传统电子材料做成的器械，存在较笨重、不可拉伸、没有本体感知功能等缺陷，很多时候只能凭借视觉作为反馈。希望 SNEN 可以解决这些问题并且应用在病人身上。”
不过，植入神经调控仪器本身风险较高，且该研究所使用一些新材料，这些因素会导致验证仪器的周期长，从目前到完全用于患者可能会经历长达十年的跨度。
参考资料：1.Y. Lee, Y. Liu, D. Seo, J. Oh.et al. A low-power stretchable neuromorphic nerve with proprioceptive feedback. Nat. Biomed. Eng（2022）. https://www.nature.com/articles/s41551-022-00918-x
