新的光遺傳學方法可減少疲勞

對于癱瘓或截肢的人來說，用電流人工刺激肌肉收縮的神經(jīng)假肢系統(tǒng)可以幫助他們恢復肢體功能。然而，盡管經(jīng)過多年的研究，這種類型的假體并沒有被廣泛使用，因為它會導致肌肉快速疲勞和控制能力差。

麻省理工學院的研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種新的方法，他們希望有一天可以更好地控制肌肉，減少疲勞。他們使用光來代替電來刺激肌肉。在一項對鼠的研究中，研究人員表明，這種光遺傳技術(shù)提供了更精確的肌肉控制，同時顯著減少了疲勞。麻省理工學院K. Lisa Yang仿生學中心聯(lián)合主任，麻省理工學院麥戈文大腦研究所副成員Hugh Herr說:“事實證明，通過光遺傳學，人們可以更自然地控制肌肉。就臨床應用而言，這種類型的接口可能具有非常廣泛的用途。

光遺傳學是一種基于基因工程細胞表達光敏蛋白的方法，研究人員可以通過將這些細胞暴露在光線下來控制它們的活性。這種方法目前在人類身上還不可行，但Herr、麻省理工學院的研究生Guillermo Herrera-Arcos和他們在K. Lisa Yang仿生學中心的同事們正在研究將光敏蛋白安全有效地輸送到人體組織中的方法。

Herr是這項研究的資深作者，該研究發(fā)表在今天的《Science Robotics》雜志上。Herrera-Arcos是這篇論文的主要作者。

Optogenetic控制

幾十年來，研究人員一直在探索使用功能性電刺激(FES)來控制身體肌肉。這種方法包括植入刺激神經(jīng)纖維的電極，使肌肉收縮。然而，這種刺激往往會立即激活整個肌肉，這不是人體自然控制肌肉收縮的方式。

Herr說:“人類有這種難以置信的控制保真度，這是通過肌肉的自然招募來實現(xiàn)的，隨著信號強度的增加，小的運動單元，然后是中等大小的運動單元，然后是大的運動單元。在FES中，當你人為地用電刺激肌肉時，最大的單位首先被招募。所以，當你增加信號時，一開始你沒有得到力，然后突然你得到了很大的力。”

這種巨大的力量不僅使實現(xiàn)精細的肌肉控制變得更加困難，而且還會在5到10分鐘內(nèi)迅速消耗肌肉。

麻省理工學院的團隊想看看他們能否用不同的東西取代整個界面。他們決定用光遺傳學的光學分子機器來控制肌肉收縮，而不是電極。

研究人員將小鼠作為動物模型，比較了他們使用傳統(tǒng)FES方法和光遺傳學方法產(chǎn)生的肌肉力量。在光遺傳學研究中，他們使用了已經(jīng)通過基因工程表達一種稱為通道視紫紅質(zhì)-2的光敏蛋白的小鼠。他們在脛骨神經(jīng)附近植入了一個小光源，脛骨神經(jīng)控制著小腿的肌肉。

研究人員在逐漸增加光刺激量的過程中測量了肌肉力量，發(fā)現(xiàn)與FES刺激不同，光遺傳控制使肌肉收縮穩(wěn)定、逐漸增加。

“當我們改變傳遞給神經(jīng)的視覺刺激時，我們可以以幾乎線性的方式按比例控制肌肉的力量。這與大腦信號控制肌肉的方式類似。正因為如此，與電刺激相比，控制肌肉變得更容易，”Herrera-Arcos說。

抗疲勞強度

利用這些實驗的數(shù)據(jù)，研究人員創(chuàng)建了一個光遺傳肌肉控制的數(shù)學模型。這個模型將進入系統(tǒng)的光量與肌肉的輸出(產(chǎn)生多少力)聯(lián)系起來。

這個數(shù)學模型允許研究人員設(shè)計一個閉環(huán)控制器。在這種類型的系統(tǒng)中，控制器發(fā)出刺激信號，肌肉收縮后，傳感器可以檢測肌肉施加的力量。這些信息被發(fā)送回控制器，控制器計算是否需要調(diào)整光刺激，以及需要調(diào)整多少光刺激才能達到所需的力。

使用這種類型的控制，研究人員發(fā)現(xiàn)肌肉可以在疲勞前刺激一個多小時，而肌肉在使用FES刺激僅15分鐘后就會疲勞。

研究人員目前正在努力克服的一個障礙是如何安全地將光敏蛋白輸送到人體組織中。幾年前，Herr的實驗室報告說，在鼠身上，這些蛋白質(zhì)可以引發(fā)免疫反應，使蛋白質(zhì)失活，也可能導致肌肉萎縮和細胞死亡。

“K. Lisa Yang仿生學中心的一個關(guān)鍵目標就是解決這個問題，”Herr說?！耙豁椂喙荦R下的努力正在進行，以設(shè)計新的光敏蛋白，以及在不引發(fā)免疫反應的情況下傳遞它們的策略?！?/p>

Herr的實驗室還在研究可用于測量肌肉力量和長度的新型傳感器，以及植入光源的新方法。如果成功，研究人員希望他們的策略可以使中風、肢體截肢、脊髓損傷以及其他肢體控制能力受損的人受益。

Herr說:“這可能會導致一種微創(chuàng)策略，改變患有肢體病理的人的臨床護理?！?/p>

這項研究是由麻省理工學院K. Lisa Yang仿生學中心資助的。

來源：Science Robotics

異丁醛（也稱為2-丁醛，化學式：C4H8O）是一種有機化合物，屬于醛類化合物。以下是異丁醛的一些化學性質(zhì)：

1. 功能團：異丁醛分子中含有一個醛基（─CHO功能團），即碳氧雙鍵和一個氫原子。

2. 溶解性：異丁醛具有一定的溶解性。它可以在水和許多有機溶劑中溶解，如乙醇、醚等。

3. 氧化性：異丁醛易被氧氣氧化成相應的酸。

4. 反應活性：異丁醛是一種活潑的化合物，可以與多種化學物質(zhì)發(fā)生以下反應：

   - 還原反應：可以被還原劑還原為相應的醇。

   - 加成反應：與親核試劑（如氨、氫氯化物）加成反應，形成相應的加成產(chǎn)物。

   - 導入反應：與親電試劑（如酸性條件下的醇或酰氯）反應，發(fā)生導入反應，形成醇或酯。

5. 異構(gòu)性：異丁醛和正丁醛（1-丁醛）是同分異構(gòu)體，它們的分子結(jié)構(gòu)不同。

需要注意的是，異丁醛是一種具有刺激性氣味的液體，在處理和使用時應采取適當?shù)姆雷o措施。同時，由于異丁醛易燃，應避免與火源接觸和存放在易燃物質(zhì)附近。