麻省理工学院的研究人员创造了一种新的光遗传学技术，可以帮助截肢或瘫痪的个体重新获得对四肢的控制。这种技术提供了对肌肉收缩的更精确控制，并显著减少肌肉疲劳。对于瘫痪或截肢的人来说，使用电流人工刺激肌肉收缩的神经假体系统可以帮助恢复四肢功能。然而，由于这些系统往往会导致快速肌肉疲劳和较差的控制，它们并未被广泛使用。研究人员开发了一种利用光控制小鼠肌肉运动的新方法，称为光遗传学。与传统使用电的方法相比，这种方法提供了更精确的肌肉控制并减少了疲劳。麻省理工学院的教授休·赫尔（Hugh Herr）认为，这项技术在临床应用方面可能有广泛的前景。脑研究所正在研究一种称为光遗传学的方法，该方法涉及对细胞进行基因工程，使其表达光敏蛋白。这使研究人员能够通过照射光来控制这些细胞的活动。虽然这种方法目前在人体中不可行，但由麻省理工学院研究生吉列尔莫·埃雷拉-阿尔科斯（Guillermo Herrera-Arcos）领导的K·莉莎·杨仿生学中心团队正在研究安全有效地将光敏蛋白输送到人类组织的方法。这项由赫尔和埃雷拉-阿尔科斯共同撰写的研究发表在《科学机器人》上。功能电刺激（FES）的使用多年来一直是研究的重点，作为控制身体肌肉活动的一种方式。这涉及将电极放置在刺激神经纤维上以促使肌肉收缩。然而，这种方法往往导致整个肌肉一次性激活，这并不是人类自然控制肌肉运动的方式。“人类具有精确控制肌肉活动的显著能力，这主要通过自然调动小型、中型和大型运动单位实现，”一位专家说。
根据赫尔的说法，当使用FES时，信号强度增加时首先招募的是最大的肌肉单位。这可能导致在一开始没有力量时突然增加力量。
这种力量的突然增加不仅使得实现精确的肌肉控制变得困难，也导致肌肉在短时间内（大约五或十分钟）迅速疲劳。
麻省理工学院的团队旨在探索用不同的方法替代现有的界面。与其依靠电极，他们选择实验通过光遗传学利用光学分子机器控制肌肉收缩。
研究人员进行了一项使用小鼠的研究，将传统FES方法产生的肌肉力量与他们的光遗传学方法产生的力量进行比较。他们使用的实验小鼠是经过基因修饰，使其表达一种叫做通道视紫红质-2的光敏蛋白。一个小型光源被植入到控制小腿肌肉的胫神经附近。
随着他们逐渐增加光刺激的强度，研究人员测量了肌肉力量，发现光遗传学控制产生了稳定、逐渐增加的力量，与FES刺激不同。
当改变施加在神经上的光刺激时，它对肌肉力量具有成比例且几乎线性的控制。这与我们大脑信号控制肌肉的方式相似，使得控制肌肉比电刺激更容易，”埃雷拉-阿尔科斯解释道。
抗疲劳能力
根据实验数据，研究人员开发了一种光遗传学肌肉控制的数学模型，将光输入与肌肉输出相关联。研究人员开发了一种数学模型，用于利用光控制肌肉的刺激。该模型允许设计一个闭环控制器，控制器向肌肉发送刺激信号，传感器在肌肉收缩后检测肌肉施加的力量。有关力量的信息会反馈给控制器，控制器再计算必要的光刺激调整，以实现所需的力量。
通过使用该控制系统，研究人员观察到肌肉可以在疲劳之前被刺激超过一个小时，而使用FES刺激的肌肉在15分钟内就会疲劳。目前研究人员面临的一个挑战是找到一种安全地将光敏蛋白引入人类组织的方法。几年前，赫尔的实验室发现，这些蛋白质可能会在大鼠体内引发免疫反应，使蛋白质失活，从而可能导致肌肉萎缩和细胞死亡。
赫尔解释道：“K·莉莎·杨仿生学中心的一个重要目标就是解决这个问题。我们目前正在采取多方面的方法，开发不会引发免疫反应的新光敏蛋白和递送方法。”
此外，赫尔的实验室还在研究新的策略，以最终能够在人体患者身上使用这项技术。研究人员正在开发能够测量肌肉力量和长度的传感器，并寻找植入光源的新方法。他们相信，如果成功，他们的方法可以帮助那些中风、截肢、脊髓损伤以及其他有能力控制四肢有限的人。
赫尔教授相信，这种方法可以革新对于有肢体病理的人的临床护理，提供一种微创解决方案。
