科學(xué)家們開發(fā)出可能會用于人體的可伸展人工神經(jīng)

旨在幫助患者繞過神經(jīng)損傷的傳統(tǒng)神經(jīng)修復(fù)裝置通常是剛性和耗電的?，F(xiàn)在，科學(xué)家們已經(jīng)開發(fā)出了可伸展的人工神經(jīng)，它可以幫助癱瘓的老鼠在跑步機上跑步和踢球，同時消耗的能量不到典型微處理器的百分之一?？茖W(xué)家們建議，有一天這些人工神經(jīng)可能會用于人體。

為了幫助因受傷或疾病而遭受神經(jīng)損傷的患者恢復(fù)運動，科學(xué)家正在研究神經(jīng)修復(fù)裝置，可以幫助將信號從大腦傳遞到肌肉或神經(jīng)。然而，首爾國立大學(xué)材料科學(xué)家，共同-資深作者Tae-Woo Lee表示，這些系統(tǒng)通常面臨一些關(guān)鍵限制。

例如，傳統(tǒng)的神經(jīng)修復(fù)系統(tǒng)通常依賴于耗電的外部計算系統(tǒng)。他們通常也會用恒定強度的電脈沖刺激身體，突然增加或減少幅度，“這會導(dǎo)致肌肉劇烈收縮，使患者感到不舒服，”Lee說。

為了幫助產(chǎn)生更自然、舒適的運動，傳統(tǒng)的神經(jīng)假體系統(tǒng)可以在電刺激的開始和結(jié)束期間增加電壓斜坡。然而，Lee說，這涉及到稱為函數(shù)發(fā)生器的附加設(shè)備，這些設(shè)備通常是剛性和笨重的，以至于它們不適合人體。

在這項新的研究中，研究人員開發(fā)了模擬真實神經(jīng)的高度可伸縮電子神經(jīng)。像真正的神經(jīng)一樣，這些人工神經(jīng)可以傳遞強度逐漸上升和下降的電信號。這些人工神經(jīng)假體也僅消耗典型微處理器功率的約1/150。

新裝置由一個可伸縮的有機半導(dǎo)體納米線晶體管組成，該晶體管使用柔軟的彈性水凝膠電極電刺激肌肉。這種生物啟發(fā)或“仿生”裝置的作用類似于人工突觸，是連接人體神經(jīng)元的連接點。

該裝置通過離子凝膠耦合到檢測應(yīng)變的碳納米管傳感器。這就像一個人工的本體感受器，一個從身體內(nèi)部接收信號的傳感器，幫助它跟蹤自己的位置和運動。研究人員使用這種人工本體感受器向電子神經(jīng)提供實時反饋。這有助于防止人工神經(jīng)過度刺激和過度訓(xùn)練小鼠腿部肌肉，而無需外部計算機控制運動。

在這項新的研究中，研究人員對麻醉的小鼠進行了實驗，使其肌肉癱瘓，以模擬針對神經(jīng)的損傷或疾病。他們發(fā)現(xiàn)，可以使用人工神經(jīng)和本體感受器來產(chǎn)生協(xié)調(diào)、平滑的腿部運動，包括在跑步機上行走，跑步，或踢球。他們還表明，可以使用神經(jīng)假體，通過從嚙齒動物大腦記錄的電信號來移動老鼠的腿。

“我們的工作是通過仿生電子神經(jīng)向生物器官傳遞生物神經(jīng)信號的第一個例子，”Lee說，“通過這項研究，似乎有可能為人類神經(jīng)損傷提出新的解決方案和策略，如脊髓損傷、周圍神經(jīng)損傷和神經(jīng)損傷，如Lou Gehrig病、帕金森病和亨廷頓病?！?/p>

除了潛在的醫(yī)療應(yīng)用，“可伸展人工神經(jīng)的源技術(shù)可能應(yīng)用于各種醫(yī)療可穿戴技術(shù)，”研究合作者、加州斯坦福大學(xué)材料化學(xué)家、共同資深作者Zhenan Bao說。