“首先，論文審稿人對可以恢復本體感受這一點非常感興趣。同時，他們也比較關心功耗的降低。”談及論文審稿人的評價，新加坡國立大學生物工程系助理教授劉宇鑫如是說。
本體感受（proprioception）能讓我們在閉上眼睛後，依然知道自己的手或身體的其他部位處於什麼位置。
這是一種非常重要的感知能力。對於那些身患脊柱損傷、運動神經元疾病等在內的神經系統疾病患者來說，傷病阻止了其初級運動皮層的神經訊號傳遞到肌肉，這不僅會導致他們喪失運動能力，還會破壞所擁有的本體感受能力，造成生活質量的嚴重下降。
現有的細胞和分子治療可以令受損的神經得到一定的恢復，但對完全恢復神經的運動功能來說，依然十分困難；而傳統的神經康復裝置能夠透過刺激皮下神經或者肌肉，提升神經受損四肢的運動能力，其部分恢復運動功能。
不過，這些裝置擁有諸多侷限性。比如，傳統系統採用馮·諾依曼架構，會消耗大量電力且缺乏生物系統擁有的神經可塑性。使用固定振幅的電脈衝進行刺激，會引起突然和強烈的肌肉收縮，讓使用者感到不舒服。
圖 | 劉宇鑫（來源：劉宇鑫，
實驗室網站 www。lab-liu。com）
為了更好地解決上述問題，美國斯坦福大學鮑哲南院士團隊和韓國首爾大學李泰雨（音，Tae-Woo Lee）教授團隊聯合，開發了一種具有伸展能力的神經形態植入物（stretchable neuromorphic efferent nerve，SNEN），可幫助身患神經運動障礙的小鼠恢復腿部的協調和運動能力，讓他們自如完成走路、跑步、踢球等多種運動。
2022 年 8 月 15 日，相關論文以《一種具有本體感覺反饋的低功率可伸展神經形態神經》（
A low-power stretchable neuromorphic nerve with proprioceptive feedback
）為題在
Nature Biomedical Engineering
上發表［1］。
韓國首爾大學材料科學與工程系李英俊博士（音，Yeongjun Lee）、劉宇鑫博士和韓國首爾大學材料科學與工程系徐大喬博士（音，Dae-Gyo Seo）共同擔任論文第一作者，斯坦福大學化學工程系教授鮑哲南和首爾大學材料科學與工程系李泰雨教授共同擔任通訊作者。
圖 | 相關論文（來源：
Nature Biomedical Engineering
）
SNEN：代替受損神經提供功能，幫助癱瘓小鼠重新恢復運動
SNEN 主要由人工本體感受器和可拉伸突觸電晶體組成，從材料上看，前者是由碳奈米管（Carbon Nanotube，CNT）應變感測器製備而成，後者是由有機半導體奈米線、離子凝膠和軟水凝膠電極製備而成，這些元件都具備強大的可拉伸能力。
圖 丨 SNEN 的元件（來源：
Nature Biomedical Engineering
）
SNEN 的工作原理是避開受損的神經，然後向肌肉傳送神經形態電訊號，從而代替受損神經來提供功能。
劉宇鑫表示：“我們的研究初衷，是幫助神經受損的人恢復相應的運動功能和感知能力。”
圖 丨 SNEN 示意圖（來源：
Nature Biomedical Engineering
）
研究人員將 SNEN 連線到小鼠的腿部或背部，開始進行實驗。仿生輸入的動作電位訊號先被施加到人工本體感受器上，然後再移動到突觸電晶體上。
作為一個分壓器的一部分，CNT 應變感測器可在完成肌肉應變測試的同時，對人工本體感受器所輸出的電壓進行調節；突觸前的電壓脈衝被施加到突觸電晶體的柵極上，產生突觸後的漏極輸出訊號會刺激小鼠腿部運動。
為了進一步探究動作電位的頻率對肌肉收縮的影響，研究人員在小鼠後腿的膝關節屈肌處連線了一個突觸電晶體。
實驗結果顯示，動作電位的頻率在 1Hz 到 11Hz 之間，最大角位移對應為 6。67° 到 40° 之間，當伸肌動作電位的頻率範圍為 1≤fAP≤50Hz 時，小鼠後腿的等距力處於 39mN 到 412mN 的範圍。
人工電子神經把動作電位的頻率（數字訊號）轉化肌肉刺激電訊號大小（模擬訊號）。神經形態系統的突觸訊號放大，本質上代表了電訊號的上升，這在不使用函式發生器等其他笨重電子元件的基礎上，就能幫助患者改善自然運動能力。
增加 CNT 應變感測器的電阻，可以降低電流，減小 SNEN 在使用過程中的功耗。經過測試，SNEN 的工作損耗約為使用馮·諾依曼架構的傳統神經康復裝置的 1/150，當 SNEN 處於工作狀態時，功耗約為 4。55μW，當它停止響應時，功耗約為 5。33μW。
談及這項工作的優勢之處，劉宇鑫認為主要有三個方面，一是恢復使用者的本體感受能力；二是相較傳統神經康復裝置，能夠極大降低所需能耗；三是整個器件的可拉伸性強，電學效能更加穩定，不會發生裝置破裂等問題。
未來有望應用在脊柱損傷或運動神經受損等疾病人群
據劉宇鑫介紹，這項研究是鮑哲南實驗室與李泰雨實驗室共同合作的專案。該團隊決定先做一個簡單的測試，但他們並沒有按照傳統的研究步驟開始，而是先驗證了專案中最重要的假設，也就是本體感受能否在動物身上成立。
課題組先在小鼠身上測試輸出的電流能否對其肌肉進行控制，以及能否調節小鼠四肢的擺動。測試獲得成功後，才開始擴充套件到具體的設計，逐一驗證每個材料和模組的應用。
最終，他們不僅在小鼠身上實現了雙腳同時運動，用小鼠模擬了人從走路到跑步的整個狀態，還能控制其雙腿擺動幅度和力度大小。
圖 | 雙足步行運動（來源：
Nature Biomedical Engineering
）
因為這項設計是全新方案，所以現在還處於早期驗證，也就是臨床實驗前的小型動物測試階段。研究人員先從小鼠實現驗證，之後可能還會測試包括猴子、豬在內的更大型動物，在所有動物模型測試驗證成功後，將開始臨床實驗階段。
對於該成果的應用前景，劉宇鑫表示：“這項成果主要應用於那些身患脊柱損傷或運動神經受損等疾病的人群，SNEN 會代替他們受損的神經，直接給予其運動的能力。雖然現在也有這類裝置，但它們通常用傳統電子材料做成的器械，存在較笨重、不可拉伸、沒有本體感知功能等缺陷，很多時候只能憑藉視覺作為反饋。希望 SNEN 可以解決這些問題並且應用在病人身上
。
”
不過，植入神經調控儀器本身風險較高，且該研究所使用一些新材料，這些因素會導致驗證儀器的週期長，從目前到完全用於患者可能會經歷長達十年的跨度。
參考資料：
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