Может ли человек с травмой позвоночника ходить и бегать? Обнаружение подсказок с помощью нейроморфной технологии

Международная исследовательская группа под руководством профессора Тае-Ву Ли (факультет материаловедения и инженерии, Сеульский национальный университет, Республика Корея) и профессора Женан Бао (факультет химического машиностроения, Стэнфордский университет, США) успешно восстановила движения мышц. в модели парализованных мышей через органические искусственные нервы. Результат был опубликован в журнале Nature Biomedical Engineering .

Нервы, которые необходимы для жизнедеятельности, а также оказывают значительное влияние на качество жизни, легко повреждаются различными причинами, такими как физические травмы, генетические причины, вторичные осложнения и старение. Кроме того, когда нервы повреждены, их трудно восстановить, и некоторые или все их телесные функции навсегда теряются из-за плохой биосигнализации.

Среди различных методов реабилитации больных с неврологическими повреждениями функциональная электростимуляция (ФЭС), которая в настоящее время активно используется в клинической практике, использует сигналы, управляемые компьютером. С помощью этой установки электрическая стимуляция применяется к мышцам, которые больше не поддаются произвольному контролю у пациентов с невропатией, чтобы вызвать сокращение мышц., что приводит к функционально полезным движениям в биологическом теле, даже если они ограничены определенным пространством. Однако этот традиционный подход имеет ограничения, которые не подходят для длительного использования в повседневной жизни пациентов, поскольку он включает сложные цифровые схемы и компьютеры для обработки сигналов для стимуляции мышц, что требует много энергии и плохой биосовместимости в процессе.

Чтобы решить эту проблему, исследовательской группе удалось управлять движением ног мышей только с помощью искусственных нервов без сложного и громоздкого внешнего компьютера, используя растяжимые, маломощные нейроморфные устройства из органических нанопроволок, которые имитируют структуру и функцию бионервных волокон. Растяжимый искусственный нерв состоит из датчика деформации, имитирующего проприоцептор, обнаруживающий движения мышц , органического искусственного синапса, имитирующего биологический синапс, и гидрогелевого электрода для передачи сигналов мышцам ног.

Исследователи отрегулировали движение ножек мыши и силу сокращения мышц в соответствии с частотой возбуждения потенциала действия, передаваемого в искусственный синапс, по принципу, аналогичному принципу биологического нерва, и искусственный синапс реализует более плавные и естественные действия. движений ног, чем при обычном ФЭС.

Кроме того, искусственный проприоцептор обнаруживает движение ног мыши и дает обратную связь в реальном времени искусственному синапсу, чтобы предотвратить повреждение мышц из-за чрезмерного движения ног.

Исследователям удалось позволить парализованной мыши пинать мяч или ходить и бегать по беговой дорожке. Кроме того, исследовательская группа показала применимость искусственных нервов в будущем для произвольного движения, взяв предварительно записанные сигналы от моторной коры движущихся животных и двигая ногами мышей через искусственные синапсы.

Исследователи обнаружили новую возможность применения в области нейроморфной технологии, которая привлекает внимание как вычислительное устройство следующего поколения, эмулируя поведение биологической нейронной сети.

Профессор Тэ-Ву Ли говорит, что «повреждения нервной системы до сих пор считаются серьезной научной проблемой, несмотря на выдающиеся достижения в медицине, и без нового прорыва они по-прежнему останутся трудноразрешимой проблемой в современной медицине». будущее. Это исследование обеспечивает новый прорыв в преодолении повреждения нервов инженерным путем с использованием нейроморфных технологий, а не биомедицинским путем», — подчеркивает значимость исследования. Он также добавил: «Инженерный подход к преодолению повреждения нервов откроет новый путь к улучшению качества жизни людей, страдающих сопутствующими заболеваниями и расстройствами».

Профессор Чжэнань Бао отметил потенциал исследования, заявив, что «благодаря разработке растяжимых искусственных нервов для пациентов с повреждением нервов оно стало краеугольным камнем для удобных для пациента, более практически применимых носимых нейронных протезов, в отличие от существующей формы. фактор».

Добавить комментарий