Искусственные нервы управляют подвижностью мышц

При травмах спинного мозга и заболеваниях моторных нейронов нарушается передача сигналов от мозга к мышцам — тогда подвижность ограничивается или пропадает совсем. Для реабилитации активно используется функциональная электростимуляция, но при этом мышцами управляет компьютер, а установки обычно громоздкие, потребляют очень много энергии и не обеспечивают плавности естественных движений.

Ученые из Южной Кореи и США создали растяжимый нейроморфный эфферентный нерв (stretchable neuromorphic efferent nerve, SNEN) и с его помощью управляли движением лап мышей. SNEN фактически заменяет собой пораженный нерв, передавая нейроморфный электрический сигнал мышце.

Искусственный нерв был выполнен из органической полупроводниковой нанопроволоки, которая имитирует структуру нервного волокна. SNEN состоит из датчика деформации, имитирующего проприоцептор, который обнаруживает движения мышц, растяжимого синаптического транзистора и мягких гидрогелевых электродов для передачи сигналов мышцам ног.

Такой искусственный нерв ученые прикрепили к задней лапе мыши под анестезией: по одному синаптическому транзистору к сгибателю и разгибателю колена. Меняя частоту возбуждения потенциала действия, передаваемого в искусственный синапс, ученые регулировали движение лап мышей и силу сокращения мышц. Искусственный нерв позволил воспроизвести плавные движения, близкие к естественным.

Кроме того, искусственный проприоцептор считывает движение лап мыши и дает обратную связь в реальном времени искусственному синапсу. Когда конечность начинала двигаться, поступающий сигнал на синапс ослабевал. Это необходимо, чтобы не допустить неправильного или слишком интенсивного движения и предотвратить повреждение мышц.

Также с помощью SNEN ученые заставили мышь, подвешенную на вертикальной опоре, ходить на двух лапах, бегать по беговой дорожке и даже пинать мяч. Для этого они подключили один транзистор к сгибателю правой лапы и разгибателю левой, а второй — наоборот.

В завершение ученые попробовали подать на искусственные нерв сигнал, записанный с моторной коры животного во время движения, — так они воссоздали произвольное движение лап мыши. Новую технологию, по словам ученых, можно будет использовать в будущем для реабилитации пациентов с неврологическими нарушениями.