研究人員已經開發出一種新型的神經植入物，可以恢復截肢者和其他失去胳膊或腿的人的肢體功能。在一項在老鼠身上進行的研究中，劍橋大學的研究人員使用該設備來改善大腦和癱瘓肢體之間的連接。該設備結合了靈活的電子器件和人類幹細胞–人體的”可重塑”主細胞–以更好地與神經結合併驅動肢體功能。

以前使用神經植入物來恢復肢體功能的嘗試大多失敗，因為隨著時間的推移，電極周圍往往會形成疤痕組織，阻礙了設備和神經之間的連接。通過在電極和活體組織之間夾上一層由幹細胞重新編程的肌肉細胞，研究人員發現，該設備與宿主的身體融為一體，並防止了疤痕組織的形成。在28天的實驗過程中，細胞一直在電極上存活，這是第一次在如此長的時間內進行監測。

研究人員說，通過將兩種先進的神經再生療法–細胞療法和生物電子學–結合到一個裝置中，他們可以克服兩種方法的缺點，提高功能和靈敏度。

雖然在用於人體之前還需要進行廣泛的研究和測試，但該設備對於截肢者或那些失去肢體功能的人來說是一個很有前途的發展。該結果於2023年3月22日在《科學進展》雜誌上報導。

當試圖扭轉導致肢體喪失或肢體功能喪失的傷害時，一個巨大的挑戰是神經元無法再生和重建被破壞的神經迴路。

共同領導這項研究的劍橋大學臨床神經科學系的達米亞諾-巴羅內博士說：”例如，如果有人被截去手臂或腿部，即使物理上的肢體已經消失，但神經系統中的所有信號仍然存在。”整合假肢或恢復手臂或腿部功能的挑戰是，從神經中提取信息並將其送到肢體上，以便恢復功能。”

解決這個問題的一種方法是將神經植入肩部的大肌肉中，並在其上附加電極。這種方法的問題是在電極周圍形成疤痕組織，加上只能從電極上提取表面信息。

為了獲得更好的分辨率，任何用於恢復功能的植入物都需要從電極中提取更多信息。而為了提高靈敏度，研究人員希望設計出能夠在單個神經纖維或軸突的規模上工作的東西。

巴羅內說：”軸突本身有微小的電壓。但一旦它與肌肉細胞連接，而肌肉細胞的電壓要高得多，來自肌肉細胞的信號就更容易提取。這就是你可以提高植入物的靈敏度的地方。”

研究人員設計了一種生物兼容的柔性電子裝置，它足夠薄，可以連接到神經的末端。然後在電極上放置了一層幹細胞，經過重新編程成為肌肉細胞。這是第一次以這種方式將這種被稱為誘導多能幹細胞的干細胞用於生物體。

巴羅內說：”這些細胞給了我們很大程度的控制。我們可以告訴它們如何表現，並在整個實驗過程中對它們進行檢查。通過將細胞置於電子設備和活體之間，身體看不到電極，只看到細胞，所以不會產生疤痕組織。”

劍橋大學的生物混合裝置被植入大鼠癱瘓的前臂中。幹細胞在植入前已轉化為肌肉細胞，與大鼠前臂的神經結合。雖然老鼠的前臂沒有恢復運動，但該設備能夠從大腦中接收到控制運動的信號。如果與其餘的神經或假肢相連，該裝置可以幫助恢復運動。

細胞層也改善了設備的功能，提高了分辨率，並允許在一個活的生物體內進行長期監測。細胞在28天的實驗中存活下來：這是第一次證明細胞能在這種長時間的實驗中存活下來。

研究人員說，與其他試圖恢復截肢者功能的方法相比，他們的方法具有多種優勢。除了更容易集成和長期穩定之外，該設備足夠小，其植入只需要微創手術。其他用於恢復截肢者功能的神經接口技術需要對患者的大腦皮層活動進行複雜的特定解釋，以便與肌肉運動相關聯，而劍橋大學開發的設備是一個高度可擴展的解決方案，因為它使用”現成的”細胞。

研究人員說，除了有可能恢復失去肢體的人的功能外，他們的設備還可以通過與負責運動控制的特定軸突互動來控制假肢。

共同第一作者、工程系的Amy Rochford說：”這種界面可以徹底改變我們與技術互動的方式。通過將活體人體細胞與生物電子材料相結合，我們創造了一個能夠以更自然和直觀的方式與大腦溝通的系統，為假肢、腦機接口，甚至增強認知能力開闢了新的可能性。”

“這項技術代表了一種令人興奮的神經植入的新方法，我們希望這將為有需要的病人開啟新的治療方法，”同樣來自工程系的共同第一作者Alejandro Carnicer-Lombarte博士說。

“共同領導這項研究的劍橋大學工程系的喬治-馬利亞拉斯教授說：”這是一項高風險的工作，我很高興它成功了。這是一種你不知道需要兩年還是十年才能成功的事情，而它最終非常有效地發生了。”

研究人員現在正在努力進一步優化這些設備並提高其可擴展性。在劍橋大學技術轉讓部門–劍橋企業的支持下，該團隊已就該技術提交了專利申請。

opti-ox是一種精確的細胞重編程技術，能夠忠實地執行細胞中的遺傳程序，使它們能夠穩定地大規模生產。實驗中使用的支持opti-ox的肌肉iPSC細胞係由劍橋大學Kotter實驗室提供。opti-ox重編程技術由合成生物學公司bit.bio擁有。