NRR：深圳先进院李光林团队探讨神经肌肉重建理论与技术的新进展
撰文：唐春霄，李光林，钟世镇，杨琳
神经功能康复旨在通过技术手段改善因神经损伤或疾病导致的功能障碍。全球约有13亿残疾人口，其中中国的肢体残疾者达2472万[1]。在此背景下，神经机接口（Neural Machine Interfaces, NMIs）技术逐渐成为假肢技术的前沿发展方向。神经机接口通过直接连接大脑或周围神经系统，以恢复受损的运动、感觉和认知功能。近年来，神经机接口技术取得了显著进展，包括靶向肌肉再支配（Targeted Muscle Reinnervation, TMR）、再生周围神经接口（Regenerative Peripheral Nerve Interface, RPNI）、靶向感觉再支配（Targeted Sensory Reinnervation, TSR）、脑机接口（Brain-Machine Interface, BMI）以及激动剂-拮抗剂肌神经接口（Agonist-Antagonist Myoneural Interface, AMI）等。这些技术不仅大幅提升了假肢的功能性，还使患者能够更加自然地控制假肢设备。然而，神经机接口的广泛应用仍面临诸多挑战。首先，人类神经系统的复杂性及个体差异性为生物电子接口的设计带来了巨大的挑战。其次，假肢长期使用时，电极与周围组织可能会形成纤维组织包裹，导致信号传输的稳定性下降。此外，精确的解剖结构重建对于神经机接口技术的成功至关重要，解剖定位不准确可能严重影响假肢的使用效果，甚至引发并发症。因此，当前研究的关键科学问题是如何通过精准的解剖重建与先进的工程技术，进一步提高神经机接口的功能性和临床应用效果。这一问题的解决不仅有助于深化对神经功能康复的理解，还将推动假肢技术的创新与发展，最终改善全球数百万残疾人的生活质量。
中国科学院深圳先进技术研究院神经工程中心李光林团队在《中国神经再生研究（英文）》（Neural Regeneration Research）上发表了题为“Neural functional rehabilitation: Exploring neuromuscular reconstruction technology advancements and challenges”的综述，文章系统分析了神经机接口技术在神经功能康复中的应用，特别是其在假肢控制中的进展与挑战。结果显示，神经机接口技术在恢复运动、感觉和认知功能方面展现出巨大潜力，但在生物电子接口设计和信号传输稳定性方面仍面临挑战。文章强调，结合精准解剖重建与先进工程技术，有望进一步提升神经机接口的临床效果，推动假肢技术的发展。
神经功能康复技术近年来在生物医学工程领域取得了显著进展，特别是在神经机接口技术方面。神经机接口技术通过将大脑或周围神经系统与机械设备相连接，旨在恢复或替代由于神经损伤、截肢等原因导致的运动、感觉和认知功能。通过这种直接的神经-机械连接，神经机接口技术为神经功能康复提供了创新性的解决方案，使得患者能够更好地控制假肢或其他辅助设备，显著提升了他们的生活质量。然而，尽管神经机接口技术展现了广阔的应用前景，其在实际临床应用中仍面临诸多挑战。
首先，信号干扰问题依然是神经机接口技术的关键难题。由于生物信号的复杂性和环境中的电磁干扰，如何稳定和精准地捕捉和传输神经信号仍然需要进一步研究。其次，电极与周围组织的纤维化问题也限制了神经机接口的长期应用。随着时间的推移，电极与组织之间的界面可能会被纤维组织包裹，导致信号传输效率的下降和设备功能的减弱。此外，电极的生物相容性也是一个亟待解决的问题，如何设计出既能长期稳定工作又能与人体组织良好兼容的电极材料，是当前研究的重点之一。此外，精确的解剖结构重建对于神经机接口技术的成功至关重要。在应用这些技术时，如果解剖定位不准确，可能会导致设备无法正常工作，甚至可能引发严重的并发症。因此，未来的研究需要在提高神经机接口设备的精度和稳定性、优化生物材料、以及改善解剖重建技术等方面进行深入探索，从而推动神经功能康复技术的进一步发展。
李光林团队与钟世镇团队系统性地探讨了神经机接口技术的应用现状和面临的挑战，主要研究问题包括：（1）
现有的神经机接口技术在神经功能康复中的应用效果如何？（2）不同神经机接口技术在临床应用中的技术优势与局限性是什么？（3）如何通过新技术和工程方法克服这些挑战，以提高神经机接口的功能性和稳定性？文章假设，通过整合不同的神经机接口技术，包括靶向肌肉再支配、再生周围神经接口、靶向感觉再支配、脑机接口以及激动剂-拮抗剂肌神经接口，并在关键领域如电极设计、生物材料的选择和信号处理技术上进行创新，可以进一步提升神经功能康复的效果。这种多技术的综合应用有望不仅在单一功能恢复上表现出色，还能够提供更全面的解决方案，从而扩大这些技术的临床应用范围，特别是在复杂病例中的应用。此外，这些创新将有助于提升假肢的响应速度和控制精度，显著改善患者的生活质量，使他们能够更自然地进行日常活动，提升自我独立性和社会参与度。通过文献综述和实验数据的系统分析，对多种神经机接口技术的原理、应用场景、技术挑战以及未来发展方向进行了详细探讨。我们重点关注了不同技术的核心机制、当前应用中遇到的困难以及可能的解决方案。
1.靶向肌肉再支配技术
靶向肌肉再支配技术是一种通过将截肢者残余神经连接到邻近的肌肉上，以产生肌电信号用于假肢控制的方法。靶向肌肉再支配技术在上肢假肢控制中应用广泛，通过将残余神经连接到目标肌肉，该技术能够增强肌电信号的获取，并提高假肢控制的灵活性和精确度。研究表明，靶向肌肉再支配技术显著改善了假肢的功能，使得患者能够更加自然地操控假肢，并减轻了幻肢痛和神经痛[1]。然而，靶向肌肉再支配技术仍面临挑战，如肌肉疲劳、信号干扰以及神经移植后的慢性疼痛等。进一步的研究应集中在优化神经连接点的选择和肌肉的重新分配，以提高靶向肌肉再支配的长期效果。
2.靶向感觉再支配技术
靶向感觉再支配技术是一种通过将截肢者的残余感觉神经重新连接到邻近皮肤或组织上的方法，旨在恢复失去的感觉反馈。通过这种技术，感觉神经可以重新支配目标组织，从而在该区域产生感觉信号，并将这些信号传输至大脑，使得患者能够感知来自假肢的外部刺激。靶向感觉再支配技术的应用在假肢的感觉反馈中展现出巨大的潜力，通过与假肢设备的整合，患者可以感知到触摸、压力甚至温度变化，这大大提升了假肢的使用体验和控制精度。研究表明，靶向感觉再支配技术显著增强了假肢的触觉感知，使患者能够更自然地与周围环境互动，并有效减轻了幻肢痛等相关症状。然而，靶向感觉再支配技术的应用也面临一些挑战。例如，如何精确匹配感觉神经与目标组织之间的连接，以及如何维持长期稳定的感觉反馈，仍然是亟待解决的问题。此外，患者在接受靶向感觉再支配手术后，可能会经历一段时间的适应期，期间可能出现异常感觉或疼痛，这些都需要在临床实践中加以关注。未来的研究应致力于优化感觉神经的连接策略，并探索更为有效的术后感觉反馈训练方法，以进一步提高靶向感觉再支配技术的临床效果。
3.再生周围神经接口技术
再生周围神经接口技术通过将肌肉移植物与神经连接，从而产生稳定的肌电信号用于假肢控制。再生周围神经接口技术在减少神经痛和幻肢痛方面表现突出，同时还能提高信号传输的稳定性。实验数据显示，再生周围神经接口技术有效地减少了神经疼痛，并改善了患者的假肢使用体验。然而，再生周围神经接口在长期应用中面临生物相容性和纤维组织包裹问题，这些问题可能导致信号衰减和假肢控制的精确度降低。当前的研究重点在于通过优化移植物的生物材料和减少纤维组织包裹来提高再生周围神经接口的长效性和稳定性。
4.脑机接口技术
脑机接口技术通过直接从大脑中获取神经信号，用于控制外部设备。脑机接口技术近年来在实验和临床试验中取得了显著进展，特别是在控制假肢和其他外部设备方面。通过读取大脑的电活动信号，脑机接口能够实现对假肢的高度精确控制，甚至允许患者通过思想控制假肢的动作。然而，脑机接口技术的应用面临多种挑战，包括信号噪声、长期稳定性和设备的侵入性损伤等。非侵入性脑机接口技术的发展为其应用带来了新的希望，但在提高信号精度和实时处理能力方面仍需进一步研究。
5.激动剂-拮抗剂肌神经接口技术
激动剂-拮抗剂肌神经接口技术通过重建激动剂和拮抗剂肌肉之间的功能连接，提供更自然的运动控制和本体感觉反馈。激动剂-拮抗剂肌神经接口技术在临床试验中已取得积极成果，特别是在改善假肢控制和减少幻肢痛方面[2, 3]。通过将截肢者的残余肌肉与相应的拮抗肌肉连接，激动剂-拮抗剂肌神经接口技术能够重建自然的肌肉互动关系，恢复本体感觉，并增强假肢的运动控制。然而，激动剂-拮抗剂肌神经接口技术的实施复杂度较高，需要精确的解剖结构重建和高水平的手术技巧[4, 5]。未来的研究应重点关注如何简化手术流程，提高手术的成功率和长期效果。
6.信号处理与生物相容性
神经机接口技术的成功不仅依赖于硬件设备的精良设计，还取决于信号处理技术的先进性和生物材料的高效性。近年来，人工智能和机器学习算法的引入极大地提高了信号解码的准确性和实时性[6]。通过机器学习算法的自适应能力，神经机接口系统可以不断优化其信号处理流程，减少噪声干扰，增强信号的清晰度和稳定性。此外，柔性和可拉伸的电子设备逐渐成为电极设计的新趋势，这些设备不仅提高了电极的耐用性，还增加了患者的舒适度和生物相容性。研究表明，使用新型材料和生物活性涂层的电极能够有效减少纤维组织包裹，延长电极的使用寿命，并提高信号传输效率[7, 8]。
此次综述通过对多种神经机接口技术的系统性分析，揭示了这些技术在神经功能康复中的巨大潜力和广阔应用前景。靶向肌肉再支配、靶向感觉再支配、再生周围神经接口、脑机接口和激动剂-拮抗剂肌神经接口等技术各自展现出独特的优势，尤其是在改善假肢控制、增强患者运动功能及减轻神经痛方面取得了显著成效。靶向肌肉再支配技术通过重塑神经-肌肉连接，显著提升了假肢的控制精度；再生周围神经接口技术通过再生神经接口，提供了更为稳定的信号传输；脑机接口技术则通过直接读取脑信号，实现了对假肢的高度精确控制；激动剂-拮抗剂肌神经接口技术通过重建自然的肌肉互动关系，提供了更加自然的运动控制和本体感觉反馈；而靶向感觉再支配技术则通过重建感觉神经与目标组织的连接，使得假肢能够恢复一定的触觉感知，进一步提升了患者的生活质量。
尽管这些技术在实验和初步临床应用中表现出显著疗效，但实际的临床推广仍然面临诸多挑战。长期稳定性、生物相容性问题以及复杂手术的实施难度，构成了当前神经机接口技术广泛应用的主要障碍。电极与组织界面长期稳定性和信号传输的可靠性仍然是亟待解决的关键问题。此外，这些技术的手术实施通常需要高度精确的解剖结构重建，对外科医生的技术要求极高，且操作复杂，限制了技术的普及。因此，未来的研究应继续致力于优化这些技术的性能，通过开发新材料和改进方法，提高电极的生物相容性和长期稳定性，简化手术流程，并整合多种神经机接口技术，以实现更广泛的临床应用。通过这些努力，神经机接口技术将有望为更多患者带来实质性的康复效果，显著改善他们的生活质量，并推动神经功能康复领域的进一步发展。
尽管神经机接口技术在神经功能康复领域已取得重要进展，但在实现全面的神经功能恢复方面，仍然存在许多未知领域。未来研究应重点探索以下几个方向：首先，如何进一步提升神经机接口技术的生物相容性和长期稳定性，以确保设备能够在人体内长期安全、有效地工作。其次，如何结合不同类型的神经机接口技术，形成更加完整、协调的神经功能康复解决方案，从而为患者提供更为综合的治疗效果。此外，利用先进的信号处理技术，提高假肢设备的响应速度和控制精度，也是未来研究的关键课题。这些研究方向不仅将推动神经机接口技术的进一步发展，还将为广大患者带来更为显著的康复效果，显著改善他们的生活质量，最终实现更广泛的技术普及与应用。
文章系统性地分析了神经机接口技术在神经功能康复中的应用现状和挑战。通过探讨靶向肌肉再支配、再生周围神经接口、脑机接口、以及激动剂-拮抗剂肌神经接口等多种技术，研究发现这些技术在改善假肢控制、减少神经痛以及恢复本体感觉方面展现了显著的潜力。这些发现不仅突显了神经机接口技术的创新性和重要性，还为未来的技术开发和临床应用提供了理论依据。
然而，此次综述也暴露了当前技术的若干不足。首先，尽管多种神经机接口技术在实验室和临床试验中取得了积极成果，但它们在长期稳定性、生物相容性和手术复杂性方面仍然存在挑战。尤其是在脑机接口技术中，信号噪声和侵入性损伤限制了其广泛应用。此外，尽管激动剂-拮抗剂肌神经接口技术在恢复本体感觉方面表现出色，但其手术实施复杂度高，且长期效果仍需进一步验证。未来研究需要针对这些不足，开发更稳定、更易于实施的技术，以提高其临床可行性和患者接受度。同时，本文的研究也揭示了一些未回答的科学问题。例如，如何进一步提升电极的生物相容性，以减少纤维组织包裹对信号传输的影响？如何通过改进信号处理算法，进一步提高脑机接口系统的实时响应能力？这些问题不仅是未来研究的重点，也为神经机接口技术的发展提供了新的方向。
综上所述，虽然当前的神经机接口技术在神经功能康复中已展现出巨大的应用前景，但仍需在技术优化、临床应用和长期效果方面进一步探索。未来的研究应着眼于整合多种技术，开发更加综合、有效的神经康复解决方案，以推动该领域的持续进步，并最终改善患者的生活质量。
原文链接：https://doi.org/10.4103/NRR.NRR-D-24-00613
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参考文献
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