Исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) разработали новый метод контроля мышц, который использует свет вместо электричества. Этот оптогенетический подход позволяет улучшить точность и снизить утомляемость мышц, что открывает новые перспективы для протезирования и помощи людям с ограничениями.
Преимущества нового метода
Люди с параличом или ампутациями могут воспользоваться нейропротезами, которые стимулируют мышцы электричеством. Однако такие устройства вызывают быстрое утомление и плохой контроль.
Новый метод, разработанный MIT, использует свет для стимуляции мышц, обеспечивая более точный контроль и снижая утомляемость. Этот метод, основанный на оптогенетике, был протестирован на мышах и показал значительные результаты.
«Используя свет, мы можем более естественно контролировать мышцы, что имеет огромное клиническое значение», — отметил Хью Херр, профессор.
Как работает оптогенетика?
Оптогенетика использует генную инженерию для экспрессии светочувствительных белков, позволяя контролировать активность клеток с помощью света. Гильермо Эррера-Аркос, аспирант Хью Херра, и их коллеги из Центра бионики К. Лизы Янг работают над безопасной доставкой светочувствительных белков в ткани человека.
Оптогенетический контроль vs. функциональная электрическая стимуляция
Исследователи десятилетиями изучали функциональную электрическую стимуляцию (ФЭС) для управления мышцами. Этот метод включает имплантацию электродов, которые стимулируют нервные волокна, вызывая сокращение мышц. Однако ФЭС не обеспечивает естественного контроля, что затрудняет управление и быстро утомляет мышцы.
Команда MIT решила использовать оптогенетику для управления мышцами, сравнивая её с ФЭС. Они имплантировали светочувствительный белок в мышечные волокна мышей и сравнили силу, создаваемую с помощью света и ФЭС. Результаты показали, что оптогенетический контроль обеспечивает устойчивый, постепенный прирост силы, улучшая контроль и увеличивая усталостную устойчивость.
Усталостная устойчивость
Исследователи разработали математическую модель, связывающую количество света с выходной мощностью мышцы. Эта модель позволила создать контроллер с обратной связью, который подаёт стимулирующий сигнал и определяет мышечную силу для регулировки световой стимуляции. Они обнаружили, что мышцы могут стимулироваться более часа без утомления, в отличие от 15 минут с ФЭС.
Перспективы для медицины
Исследователи работают над безопасной доставкой светочувствительных белков в ткани человека, что может улучшить контроль над мышцами у людей с инсультами, ампутациями и травмами спинного мозга.
«Это может привести к разработке минимально инвазивной стратегии, которая изменит клиническую помощь людям с патологиями конечностей», — отметил Хью Херр.
Литература.
“Closed-loop optogenetic neuromodulation enables high-fidelity fatigue-resistant muscle control” by Hugh Herr et al. Science Robotics
