学生生涯中总是会遇见那么几个腿上打着石膏的男孩，在同学们的瞩目之下拄着拐杖与周围格格不入。但是对于这些骨折的人来说，老老实实治疗几个月就能重新走上绿茵场了。而另外一群人却只能一辈子坐在轮椅上，甚至只能躺在病床上。对于这些的截瘫的病人，他们中的大多数因为外伤或肿瘤等原因导致了其脊髓受到了损伤，阻断了神经信号从运动皮层向肌肉的传递。目前，针对这些伤病的研究证明可以通过临时神经康复装置在恢复患者运动功能来改善生活质量。神经假体电子可以有效可靠地将生物信号重定向到绕过受损的神经组件并恢复运动功能。

这种神经电子假体可以模拟生物传入和传出神经并通过电信号驱动传递感觉和运动信息，正在成为实现仿生电子皮肤、智能机器人和神经康复设备的重要技术。模拟生物神经信号处理和功能的人工外周神经可以用于恢复受损的生物信号通信。此类系统用于大脑定向肢体运动的实际应用需要对肢体进行协调和主动控制。所以除了通过人工外周神经发出信号外，在神经康复装置中实现本体感觉是恢复适当运动和身体位置感的必要条件。

近日，美国斯坦福大学鲍哲南院士与韩国首尔大学李泰雨教授开发了一种可拉伸的神经形态植入物（SNEN），可以恢复患有神经运动障碍小鼠腿部的协调和平滑运动，使动物能够踢球，走路或跑步。神经形态性植入物通过从兴奋性突触后电生理信号并提供本体感觉反馈来模拟人工传出神经。该装置以低功耗运行，由水凝胶电极组成，该电极连接到可拉伸晶体管，该晶体管包含有机半导体纳米线（模拟人工突触），通过离子凝胶连接到含有碳纳米管应变传感器（模拟人工肌梭）的人工本体感受器。这种具有本体感觉反馈的可拉伸电子设备可能推动用于神经康复的神经形态装置领域向前迈出新一步。

SNEN设计理念：

SNEN的概念是绕过脊柱或神经受损部位并向肌肉发送电信号，以实现受损神经的功能替代。为了演示这一概念，SNEN被连接到小鼠的腿或背部。SNEN由可拉伸组件组成，包括由碳纳米管（CNT）应变传感器构成的人工本体感受器，由有机半导体纳米线、离子凝胶以及软水凝胶电极构成的可拉伸突触晶体管。

将动作电位（AP）信号施加到人工本体感受器上，随后信号传递到突触晶体管。CNT应变传感器（人工肌梭）用于检测肌肉应变并调节人工本体感受器的输出电压。在模拟反馈控制实验中，将突触前电压脉冲施加到人工突触晶体管的栅极上，并利用突触后的漏极输出信号刺激小鼠腿部的肌肉。在人工突触晶体管中，随着突触前栅极电压尖峰（AP）的频率从1 Hz增加到11 Hz，漏极读取的激发后突触电流（EPSC）增加，这种反应模拟生物突触中的增强作用。将50 Hz的AP交替应用于两个突触晶体管，这两个突触晶体管分别连接到屈肌和伸肌，可以发现这些设备产生了清晰的EPSC响应。

图 SNEN各组件设计与作用

SNEN刺激肌肉收缩：

为了量化肌肉收缩如何受到频率f_AP的影响，将单个突触晶体管连接到麻醉小鼠后肢的膝关节屈肌。随着f_AP从1 Hz增加到11 Hz，小鼠后肢最大角位移从6.67°增加到40°。通过1~50Hz的f_AP刺激来测量小鼠后肢的等距力。随着f_AP的增加，最大力从 39 mN 增加到 412 mN。发生这种变化是因为肌肉收缩反应从低f_AP时的弱收缩变为高f_AP时强直性收缩。逐渐增加的肌肉力量和平滑的腿部运动是通过突触晶体管响应突触后信号增强来实现的，这种反应明显不同于肌肉力量的突然增加然后减少，以及使用恒定振幅的电脉冲通过常规刺激引起的剧烈腿部运动。为了模拟同步运动，研究者连接了两个突触晶体管，一个连接到屈肌，一个连接到伸肌。以1 s的间隔交替施加50 Hz的AP到突触晶体管上，并刺激每块肌肉实现了顺序性的伸展和弯曲。

图 SNEN刺激肌肉收缩

人工本体感受器和功耗分析：

本体感觉是基本运动功能的必要条件，而缺乏本体感觉反馈会降低运动能力并损害肌肉。因此，在神经系统疾病患者中恢复本体感觉的运动功能长期以来一直是医学和生物工程的目标。作者团队展示了一种人工本体感受器来检测腿部运动并防止肌肉过度拉伸。人工本体感受器与人工突触一起形成了一个闭合的反馈回路。由CNT组成的传感器用于模拟肌梭并检测腿部的伸展。

EPSC可以通过腿部的伸展和应变传感器的电阻R1的升高来下调。对于较大的应变，分压电路通过增加R1来降低突触晶体管的有效门控电压。通过电路的V2来控制本体感受器的灵敏度用。这种负反馈限制了突触晶体管EPSC的增强。根据施加的V2，最大 EPSC 从 1.03 μA（V2= 0 V，低灵敏度反馈）限制到0.73 μA （V2= 1.5 V，高灵敏度反馈）。人工传出神经应同时具有兴奋性和抑制性突触反应，以防止肌肉过度拉伸。因此，本体感觉反馈对于有效实时地限制兴奋性突触反应和由此产生的肌肉收缩是必要的。在存在反馈的情况下，腿部屈曲运动是稳定的，但在没有反馈的情况下，运动会由于过度应激而摇晃。这种设计还可以传递重复运动过程中的人工本体感觉，以防止过度劳累引起的肌肉损伤。

应变传感器电阻的增加导致电流减少，从而降低“开启”状态下的功耗。具体而言，SNEN的功耗约为4.55 μW（“开”状态）和~5.33 μW（“关闭”状态）。对SNEN系统阵列功率计算的仿真表明，其功耗（6.1 mW）比由单晶体管/单应变传感器阵列组成的系统低两个数量级。之所以损耗减少，是因为 SNEN 系统仅在响应事件时运行，而带有微处理器的硅集成电路芯片则是连续工作。

图 人工本体感觉

SNEN与双足行走：

在实际运动中对使用SNEN的可行性,通过垂直支撑悬挂的小鼠进行了演示。输入信号被施加到连接到右后腿伸肌的突触晶体管上。对输入信号模式进行调节，以控制腿部的摆动运动。EPSC信号足以引起伸肌的急剧收缩，因此腿可以完全摆动并将球踢到比后腿长度更大的距离。

SNEN还实现了双足行走运动。一个突触晶体管连接到左腿的屈肌和右腿的伸肌，而另一个晶体管连接到左腿的伸肌和右腿的屈肌。每个SNEN的交替输入信号诱导的双足行走运动。通过调整输入AP，实现了从慢走到跑步。这些结果表明，SNEN有可能为活体动物提供运动。

图 SNEN与双足行走

补充图 SNEN与“踢球”

SNEN的电生理信号：

此外，为了证明SNEN在神经康复装置中的适用性，在运动期间从动物的主要运动皮层记录的神经信号，以用作人工传出神经的突触前输入信号。从公共数据集中抽取两个单个单元记录神经元的电生理数据。两个神经元的放电模式被用作突触晶体管的栅极电压。具有高放电速率（34.8 Hz）的神经元1触发了比具有低放电速率（2.8 Hz）的神经元2更高的EPSC增强幅度。

该设备可以处理来自多个神经元的电输入。从公共数据集中提取7个单个单元记录神经元的电生理数据。设定两组预突触输入信号，分别为五个神经元（1-5号）的组合信号投射到SNEN A，另外为五个神经元（3-7号）的组合信号投射到SNEN B。SNEN A与屈肌连接，SNEN B与伸肌连接。该装置作为轴突小丘的类似物，多个神经信号以不同的发射速率输入，并产生输出一个总EPSC。然后，通过I / V转换器将EPSC转换为电信号激活肌肉。在整个过程中，SNEN接收运动皮层的神经信号并开始肌肉运动，绕过脊髓和周围神经系统。交替刺激两块肌肉，并执行不同的角度摆动运动。SNEN可以将单个单元电生理信号传递到肌肉并引起肌肉运动，因此有可能通过使用由一个应变传感器和突触晶体管组成的简单装置从大脑中获取神经信号并控制肢体运动。

图 SNEN与电生理信号

小结：

作者团队报告了一种可延伸的仿生传出神经（SNEN）。SNEN使用模拟AP和细胞外记录的公共神经数据作为输入信号，以绕过脊髓刺激麻醉小鼠腿部的肌肉。有机可拉伸的人工突触可以稳定地将神经信号传递给肌肉。与生物自主运动类似，SNEN中的放电速率决定了小鼠腿部的运动和最大力量。作者团队还演示了一种人工肌梭，它通过使用应变传感器检测肌肉长度的变化，并实现负反馈回路。这种本体感觉功能可防止由于肌肉过度拉伸而导致的肌肉损伤。此外，通过在活体动物中实施“踢球”和“行走/跑步”等几种运动，SNEN显示出治疗退行性神经疾病引起的运动障碍的前景。

这项工作表明，通过软神经接口和可拉伸的电子系统，可以在活体哺乳动物中引发协调和复杂的腿部运动。这是迈向未来人工神经系统的一步，可以作为一种低功耗神经形态假肢装置，通过传递运动皮层的信号实现肢体运动。在未来，使用神经可塑性原理的SNEN等简单系统可能代表了一种有前途的生物工程技术，用于帮助运动障碍患者产生自主运动，避免了使用重型和复杂电子设备。

参考文献：

Yeongjun Lee, Yuxin Liu, Dae-Gyo Seo, et al. A low-power stretchable neuromorphic nerve with proprioceptive feedback. Nat Biomed Eng. 2022 Aug 15.

https://www.nature.com/articles/s41551-022-00918-x