对于瘫痪或截肢患者来说，神经假体系统可以通过电流人工刺激肌肉收缩，帮助他们恢复肢体功能。然而，尽管经过多年研究，这种假肢并未得到广泛应用，因为它会导致肌肉快速疲劳和控制不佳。

麻省理工学院的研究人员开发了一种新方法，他们希望有朝一日能够提供更好的肌肉控制，同时减少疲劳。他们没有使用电刺激肌肉，而是使用光。在一项针对小鼠的研究中，研究人员表明，这种光遗传学技术可以提供更精确的肌肉控制，同时显著减少疲劳。

“事实证明，通过光遗传学，人们可以更自然地控制肌肉。就临床应用而言，这种界面可能具有非常广泛的用途，”麻省理工学院媒体艺术与科学教授、K. Lisa Yang 仿生学中心联席主任、麻省理工学院麦戈文脑研究所副研究员 Hugh Herr 说道。

光遗传学是一种基于基因工程细胞来表达光敏蛋白的方法，研究人员可以通过将细胞暴露在光线下来控制这些细胞的活动。这种方法目前在人类身上不可行，但赫尔、麻省理工学院研究生 Guillermo Herrera-Arcos 和 K. Lisa Yang 仿生学中心的同事们目前正在研究如何将光敏蛋白安全有效地输送到人体组织中。

Herr 是这项研究的资深作者，该研究成果发表在今天的《科学机器人》杂志上。Herrera-Arcos 是这篇论文的主要作者。

光遗传学控制

几十年来，研究人员一直在探索使用功能性电刺激 (FES) 来控制身体肌肉。这种方法包括植入电极来刺激神经纤维，从而引起肌肉收缩。然而，这种刺激往往会同时激活整个肌肉，而这并不是人体自然控制肌肉收缩的方式。

“人类拥有这种令人难以置信的控制保真度，这是通过自然招募肌肉实现的，随着信号强度的增加，肌肉会按顺序招募小型运动单元、中等尺寸的运动单元和大型运动单元，”赫尔说。“使用 FES 时，当你用电流人为地冲击肌肉时，最大的单元会首先被招募。因此，当你增加信号时，一开始你不会得到力量，然后突然你得到了太多的力量。”

这种巨大的力量不仅使精细的肌肉控制变得更加困难，而且还会在五到十分钟内很快磨损肌肉。

麻省理工学院的研究团队想看看他们能否用不同的东西取代整个界面。他们决定尝试使用光遗传学的光学分子机器来控制肌肉收缩，而不是电极。

研究人员使用小鼠作为动物模型，比较了使用传统 FES 方法产生的肌肉力量与使用光遗传学方法产生的肌肉力量。在光遗传学研究中，他们使用的小鼠已经经过基因改造，可以表达一种名为通道视紫红质-2 的光敏蛋白。他们在控制小腿肌肉的胫神经附近植入了一个小光源。

研究人员在逐渐增加光刺激量的同时测量了肌肉力量，并发现与 FES 刺激不同，光遗传学控制可使肌肉收缩量稳定、逐渐增加。

“当我们改变传送给神经的光刺激时，我们可以按比例、几乎线性地控制肌肉的力量。这类似于我们大脑发出的信号控制肌肉的方式。正因为如此，与电刺激相比，控制肌肉变得更加容易，”Herrera-Arcos 说。

抗疲劳

研究人员利用这些实验的数据创建了光遗传肌肉控制的数学模型。该模型将进入系统的光量与肌肉的输出(产生的力量)联系起来。

这个数学模型使研究人员能够设计一个闭环控制器。在这种系统中，控制器发出刺激信号，肌肉收缩后，传感器可以检测到肌肉施加的力量。这些信息被发送回控制器，控制器计算是否需要调整光刺激以及调整多少才能达到所需的力量。

通过这种控制方式，研究人员发现，肌肉可以在疲劳之前受到刺激一个多小时，而使用 FES 刺激后肌肉仅在 15 分钟后就会疲劳。

研究人员目前正在努力克服的一个障碍是如何安全地将光敏蛋白输送到人体组织中。几年前，赫尔的实验室报告称，在大鼠中，这些蛋白质可以引发免疫反应，使蛋白质失活，还可能导致肌肉萎缩和细胞死亡。

“K. Lisa Yang 仿生学中心的一个主要目标就是解决这个问题，”赫尔说。“我们正在多管齐下，设计新的光敏蛋白，并制定运送这些蛋白的策略，而不会引发免疫反应。”

作为向人类患者推广的进一步措施，赫尔实验室还在研究可用于测量肌肉力量和长度的新型传感器，以及植入光源的新方法。如果成功，研究人员希望他们的策略能够造福中风、截肢和脊髓损伤患者，以及其他肢体控制能力受损的人。

赫尔说：“这可能带来一种微创策略，从而改变肢体病变患者的临床护理。”