植入「电子神经」，瘫痪小鼠也能踢球，鲍哲南团队成果登Nature子刊

鱼羊 2022-08-19 14:49:17 来源：量子位

鱼羊 发自 凹非寺

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植入一根电子神经，原本已失去行动能力的小鼠竟直接踢起了球。

这事儿如今真真发表在了Nature子刊《自然·生物医学工程》上，研究团队由知名华裔科学家鲍哲南领衔。

并且这么一根人造“神经”，就像真正的神经一样，是通过向器官传递生物神经信号来发挥作用的。

论文的另一位通讯作者Tae-Woo Lee表示：

这是通过生物模拟电子神经向生物器官传递神经信号的第一次。

而鲍哲南则更加直接地指出其中潜力：为更友好、更实用的可穿戴神经假肢提供了理论基石。

用人工神经让患鼠恢复自主运动

实际上，使用功能性电刺激，来帮助因神经损伤失去运动能力的患者进行康复治疗，在临床上已不鲜见。

问题在于，传统的神经康复设备离日常使用着实还有些距离。

△图源：Neural Prosthetics: A Review of Empirical vs. Systems Engineering Strategies

一方面，传统设备通常依赖于外接计算机，功耗比较大且生物相容性差。

另一方面，如果使用强度恒定的电脉冲来刺激身体，可能会导致肌肉剧烈收缩，给人造成不适感。

而如果在刺激开始和停止的阶段采用电压斜坡，则需要额外的函数发生器，导致设备更加笨重。

于是，首尔大学和斯坦福大学的研究人员，把目光投向了人工神经。

具体而言，研究人员提出了一种可拉伸的神经形态传出神经（SNEN）。

SNEN可以绕过受损神经，通过软性神经接口和可拉伸电子系统重新引导电生理信号，并发送给肌肉，起到替代受损神经功能的作用。

在结构上，SNEN以有机半导体纳米线作为人工突触，以碳纳米管（CNT）应变传感器作为人工肌肉主轴。

也就是说，研究人员们构建了一个“人工本体感受器”来向电子神经提供实时反馈，而无需借助外部计算机的力量。

人体中的本体感受器位于运动器官感觉神经末梢，能够将运动产生的刺激信号转化为神经冲动传入中枢神经系统，以稳定身体姿态、调节身体运动。

仿生输入动作电位（AP）信号会被输入到人工本体感受器上，然后转移至突触晶体管。

碳纳米管应变传感器检测肌肉应变并调节人工本体感受器的输出电压。

此后，模拟反馈控制的突触前电压脉冲会被施加到人工突触晶体管的栅极上，由此产生突触后放电输出信号，刺激小鼠腿部肌肉。

这样一来，就像真正的神经一样，这些人造神经可以释放出强度逐渐升高/降低的电信号。

另外，该装置的功耗仅为传统微处理器系统的1/150。

实验结果显示，被植入这套人工神经的瘫痪小鼠，成功恢复了腿部运动：在跑步机上实现了走和跑的动作。

并且如开头展示的那样，研究人员还把踢球也安排上了。

通讯作者Tae-Woo Lee表示：

这项研究在克服神经损伤的工程实践上，采用了神经形态学、而非生物医学技术。

这为改善那些患有相关疾病的人们的生活质量，开辟了一条新路。

研究团队

这项研究来自斯坦福大学鲍哲南教授和首尔大学Tae-Woo Lee教授带领的国际团队。

鲍哲南是知名华裔化学家、中国科学院外籍院士、美国国家工程院院士、美国文理科学院院士，现任斯坦福大学化学工程系教授。

她在有机电子材料和器件领域的建树享誉全球，被公认为印刷有机电子和仿生有机电子的开创者和领导者。

Tae-Woo Lee现任首尔大学材料科学与工程系、化学与生物工程系教授，曾任斯坦福大学客座教授。

参考链接：
[1]https://www.nature.com/articles/s41551-022-00918-x
[2]https://spectrum.ieee.org/artificial-nerves

— 完 —