闭环光遗传神经调节可实现高保真性耐疲劳肌肉控制
Guillermo Herrera-Arcos1,2,3, Hyungeun Song1,4, Seong Ho Yeon1,2
1K. Lisa Yang Center for Bionics, MIT, Cambridge, MA, USA.
Science robotics
|May 22, 2024
概括
这项研究引入了一种使用功能性光遗传刺激 (FOS) 进行神经假体的新型闭环控制系统. 与传统的功能电刺激 (FES) 相比,FOS提供了优越的肌肉力量控制和耐疲劳性.
科学领域:
- 生物医学工程 生物医学工程
- 神经科学是一个神经科学.
- 康复技术 康复技术 康复技术
背景情况:
- 闭环神经假体旨在恢复神经条件下的运动功能.
- 传统的功能电刺激 (FES) 在肌肉力量调节方面存在局限性,并且由于非生理性招募而导致快速疲劳.
研究的目的:
- 开发和验证一个闭环控制框架,使用功能性光遗传刺激 (FOS) 来实现高保真性,耐疲劳的肌肉控制.
- 为了比较FOS与FES在力调节和耐久性方面的性能.
主要方法:
- 描述了FOS的力量调制特性,将招募和调制范围与FES进行比较.
- 开发了一种神经肌肉模型来描述光遗传刺激肌肉的动态.
- 实施并测试了使用FOS的肌肉力量实时闭环控制系统.
主要成果:
- 与FES相比,FOS表现出更多的生理肌肉招募和显著更高的力量调节范围 (>320%) .
- 开发的神经肌肉模型准确地捕捉了光遗传刺激肌肉的非线性动态.
- 与FES相比,基于FOS的闭环系统实现了改进的实时肌肉力量控制,增强性能和更强的疲劳抵抗力.
结论:
- 功能性光遗传刺激 (FOS) 提供了一个更生理和有效的方法来激活神经修复器官中的肌肉.
- 这种框架可以实现高保真度的肌肉力量调节,并显著改善疲劳抵抗力.
- 这项研究为先进的耐疲劳神经假体和由光遗传学控制的生物混合机器人奠定了基础.
