光激活神经腿部提供了新的路径流动性恢复: 新的光遗传学技术可以帮助恢复肢体运动, 治疗肌肉震颤

首次, 麻省理工学院的研究表明，神经作出表达，可被光活化可以产生可实时进行调整腿部动作的蛋白质, 使用由所述肢体本身的运动而产生的线索. 该技术导致了比有时被用来刺激神经在脊髓损伤患者和其他类似的电子系统更顺畅，不易疲劳运动.

Shriya斯里尼瓦桑是医学工程和医学物理学博士学位的学生在麻省理工学院媒体实验室和卫生科学与技术哈佛 - 麻省理工学院分部. 照片: 詹姆斯·天

虽然这种方法在动物身上进行测试, 随着研究的深入和人类的未来试验这种光遗传学技术可以使用一天患者瘫痪恢复运动, 或治疗不希望的运动，如帕金森氏症患者肌肉震颤, 说Shriya斯里尼瓦桑, 博士生医学工程和医学物理学在麻省理工学院媒体实验室和哈佛 - 麻省理工学院计划在卫生科学与技术.

该技术的首批应用可能是恢复运动瘫痪肢体或功率假肢, 但一个光遗传学系统恢复肢体感觉的潜力, 关闭不需要的疼痛信号或治疗神经系统疾病或痉挛刚性肌肉的运动，如肌萎缩性侧索硬化或ALS, 斯里尼瓦桑和她的同事建议.

MIT的研究小组是利用光遗传学来控制脑外神经极少数的研究团队之一, 斯里尼瓦桑说. “大多数人都使用光遗传学作为某种工具的了解神经回路, 但很少被作为临床治疗翻译工具看着它，因为我们。”

“肌肉的人工电刺激经常导致疲劳和控制性差. 在这个研究中, 我们发现的与光遗传学肌肉控制这些常见问题缓解,”休·赫尔说, 谁领导的研究小组和负责的媒体实验室的Biomechatronics组. “这对从衰弱条件像肌肉麻痹患者解决方案的开发很大的希望。”

该纸发表在十二月. 13 问题在于 自然通讯. 该小组成员包括麻省理工学院的研究本杰明·ê. 迈蒙, 毛里齐奥·迪亚兹, 和Hyungeun歌.

光与电

神经电刺激在临床上用于治疗呼吸, 肠, 膀胱, 在脊髓损伤患者和性功能障碍, 以及提高人的肌肉变性疾病调理肌. 电刺激也可以控制瘫痪肢体和假肢. 在所有情况下, 交付给所谓的轴突的神经纤维电脉冲触发由纤维激活肌肉运动.

这种类型的电刺激的快速肌肉疲劳, 可以是痛苦的, 并且是难以精确瞄准, 然而, Srinivasan 和 Maimon 等领先科学家正在寻找神经刺激的替代方法.

光遗传学刺激依赖于经过基因改造以表达称为视蛋白的光敏藻类蛋白质的神经. 这些蛋白质控制电信号，如神经冲动——本质上, 打开和关闭它们——当它们暴露在特定波长的光下时.

使用经过改造的小鼠和大鼠在腿部的两个关键神经中表达这些视蛋白, 研究人员能够通过对要么附着在皮肤或腿内植入的LED切换到控制啮齿类动物的踝关节的上下运动.

这是一个“闭环”光遗传学系统已被用于驱动肢体第一次, 研究人员说. 闭环系统响应改变其刺激从它们被激活的神经信号, 相对于“开环”系统不以反馈从身体反应.

在啮齿动物的情况下，, 不同线索包括踝关节和变化的肌肉纤维的长度的角度分别用于控制踝的运动的反馈. 这是一个系统, 斯里尼瓦桑说, “在实时观察，并最小化之间我们希望发生的，什么是真正发生的错误。”

漫步与冲刺

比电刺激循环运动期间光遗传刺激也导致较少疲劳, 在某种程度上感到惊讶的科研团队. 在电气系统, 大直径轴突第一激活, 伴随着他们的大和氧饥饿的肌肉, 在转移到更小的轴突和肌肉前. 光遗传学刺激的作品以相反的方式, 上移动到更大的纤维之前刺激较小的轴突.

“当你缓缓走来, 你只激活那些细小的纤维, 但是当你运行一个冲刺, 您激活大纤维,”斯里尼瓦桑解释. “电刺激首先激活的大纤维, 所以它就像你走，但你用所有的能量它需要做一个冲刺. 这是因为你使用的方式更多的马力比你需要的是迅速疲劳。”

科学家们还注意到，在光的刺激系统，该系统是完全不同于电气系统的另一个奇怪的图案. “当我们不停做这些实验, 特别是对于延长的时间段, 我们看到这个很有趣的现象,”斯里尼瓦桑说. “我们习惯于看到系统上执行得很好, 然后疲劳随着时间的推移. 但在这里，我们看到了它执行得很好, 然后疲劳, 但如果我们在里面打了更长的系统回收又开始表现良好“。

这一出人意料的反弹在神经涉及到如何视活动周期, 的方式，使整个系统再生, 科学家们得出的结论.

由于涉及不易疲劳, 在光遗传学系统可能是一个不错的未来适合长期电机操作，如机器人外骨骼，让一些人瘫痪行走, 或长期康复工具的人退行性肌肉疾病, 斯里尼瓦桑建议.

对于该方法使跃入人类, 研究人员需要将光传送到神经体内深处的最佳方式进行实验, 以及寻找的方式来表达人类神经视蛋白安全，高效地.

“目前已经有一些 300 利用基因疗法试验, 和使用视蛋白今天几个试验, 所以很可能在可预见的未来,”斯里尼瓦桑说.

资源: HTTP://news.mit.edu, 由贝基火腿