假肢感觉-运动闭环控制新方法——脊髓神经环路兴奋性调控

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导语

       现代截肢者假肢的研发目标是建立可靠的双向人机界面，以恢复感觉-运动控制。在过去的几年里，对肢体和肌肉的神经输入（从中枢发出的传出通路信号）解码有了很大的改进，提高了假肢的控制和功能。为了进一步改善假体控制，有必要恢复将外周感觉信息发送至中枢神经系统的传入通路。但恢复感觉输入仍是一个重大的挑战。最新研究通过调节脊髓的感觉运动环路兴奋性，并整合到假肢的自主控制中，从而改进感觉-运动集成的假肢控制方法。该成果由英国帝国理工团队完成，发表在了期刊《Science Robotics》上。

研究背景

       肢体的丧失直接影响到传出和传入通路。现代截肢者假肢的研发目标是建立可靠的双向人机界面，以恢复感觉-运动控制。在过去的几年里，对肢体和肌肉的神经输入（从中枢发出的传出通路信号）解码有了很大的改进，提高了假肢的控制和功能。为了进一步改善假体控制，有必要恢复将外周感觉信息发送回中枢神经系统的传入通路。但恢复感觉输入仍是一个重大的挑战。

       感觉替代或重新映射通过将不同信息发送到未受影响的肢体保留的感觉通路，将有关假体状态的信息传达给使用者。通过这种方式，可以将不同类型的感觉信息传输给假肢使用者。这些无创和有创的感觉反馈技术可以共同增强上肢假肢的功能，提供触摸、压力和声音感觉，从而改善假肢控制。但是，感觉替代依赖于受试者在运动时处理和解释感知的反馈信息并根据接收的信息调整发送到假肢的运动命令的能力。这使得假体的控制成为一项复杂的任务，可能会对患者认知能力有一定要求。新兴的模式正在探索感觉融合，将动觉、触摸和运动意图结合起来，最大限度地将信息传递到神经系统，以实现全面的感觉-运动恢复。或者，通过直接神经刺激来实现自然感知，但它们的主要工作原理仍然涉及对感觉输入的认知处理。

       自然运动中的感觉反馈不仅具有通知躯体感觉皮质的作用，而且还以单突触或多突触的方式投射到脊髓运动神经元和脊髓中间神经元，影响它们的活动，这些投射通过调节运动神经元池的兴奋性，在运动控制中发挥重要作用。脊髓通路中的感觉处理有助于在存在外部扰动时自动对肌肉产生纠正反应，从而及时补偿运动控制中的干扰（例如，抓握控制期间的姿势稳定或防止过度伸展）。截肢患者通常保留这些通路。脊髓通路的刺激可能被用来进一步增强或调节用于假肢控制的运动指令。

       肌腱机械振动已被用于通过肌梭的兴奋来提供虚幻的运动知觉。这项技术已经被用来在假肢控制期间传达与握力运动相关的本体感觉信息。此外，肌腱振动会引发第二种机制，积极调节支配受刺激肌肉的运动神经元的兴奋性，这种效应被称为紧张性振动反射(TVR)。振动刺激激活Ia型和II型感觉传入，它们向控制受刺激肌肉的运动神经元产生兴奋性输入。在脊椎水平上，发射脉冲被解释为肌肉被拉伸，从而进一步增加肌肉的活性。

       论文设计了人工机械刺激模式，旨在最大化对脊髓运动神经元活动的刺激效果，即以自然感觉-运动脊髓环为目标的刺激。论文研究了TVR与肌肉活动的整合及其与肌电控制的整合，创建了一个全面的感觉-运动闭环系统，其目的是在肌肉控制任务中的伴随自愿控制过程中，通过调节运动神经元的传入输入来连接反射感觉运动环。这种提供反馈的观点侧重于反馈的脊髓整合，以及作为提供反馈结果的运动神经元输出(即假体的控制信号)的非自愿调整。这种与传统感觉替代的关键区别在于提供了一种反馈整合到假肢控制应用的范例，可以恢复或增强自然的感觉-运动通路。

研究概述

肌腱振动反射在感觉运动控制中的生理整合

       在每个受试者的屈肌共同肌腱上放置一个带状拉伸器，以瞄准屈肌肌梭。肌腱的振动引起Ia纤维的活动，Ia纤维支配受刺激的肌肉并投射到脊髓。传入投射中的诱发活动通过单突触反射途径对刺激肌肉的运动神经元产生兴奋作用。

假肢控制原理图

       对肌肉的振动刺激可导致脊髓的传入通路信号输入，它与其他脊髓和棘上运动神经元的输入相结合，将这些接收到的突触输入和到达肌肉的放电动作电位整合在一起，共同决定了肌肉的收缩水平。参与者的肌肉(腕屈肌，FCR)产生的整体肌电活动是使用者产生的自愿命令和传入反馈相结合的结果，其中包括了肌腱振动的调制效应。这种自愿和感觉输入的生理整合有望模仿自然反射机制，使肌肉活动适应特定任务，并形成一个强化的正反馈环，以增强肌肉的激活，类似于自然感觉-运动闭环，从而促进假肢控制表现改进。

研究人员接下来进行了若干项实验评估将TVR应用于感觉-运动控制的可行性，改善假肢穿戴期间的肌肉收缩。

实验一：最佳诱导TVR效应的生理特性

       本实验目的是评估刺激频率与诱发的TVR反应的相关性。

       对参与者逐个确定引起最高TVR效应的刺激频率，并测试诱导力调制[或肌电(EMG)幅度调制]是否随着刺激幅度的变化而变化。

受试者被要求在等长力测量平台上用手掌施加力来进行等长屈腕。记录手掌施加的力和肌电，以跟踪产生的力输出的变化。随后在等长屈腕任务中保持10%的收缩肌电水平20s，5s后分别以80、100、120、140HZ进行10s振动刺激。对照组则是在没有刺激的情况下完成相同的任务。刺激期开始和结束时用平均肌电的差值(ΔEMG)来量化TVR对参与者运动输出的影响。

实验一结果图

       从结果可以观察到初始的暂态阶段与其后的稳定阶段，表明TVR随着时间的推移具有累积效果。对于所有测试的频率，在刺激后1s内达到稳定状态。总体而言，与无振动刺激相比，对于大多数刺激频率，所有参与者(健康人AB和截肢者TA)产生的力量和正常肌电都有所增加，而刺激频率与TVR效应呈正相关。选择引起最大ΔEMG的频率作为每个参与者的最佳个体频率，在本实验中，观察到最佳刺激频率为140HZ的有1例，120HZ有3例，100HZ有2例。这些受试者特定的最佳频率被用于随后的实验，以实现感觉-运动整合。

实验二A：通过间歇刺激控制TVR效应

       本实验目的是评估使用闭环框架在线调节TVR效应大小的可能性。

       通过最小化参与者产生的施加的输出EMG水平和给定的参考EMG幅度水平之间的误差来实现最佳间歇闭环。在误差反馈的基础上，以开关方式控制诱发TVR的刺激：当测量的正常肌电水平低于目标时振动激活，当测量的水平高于目标水平时振动禁用。旨在将受试者的正常肌电输出水平稳定在作为任务目标的参考水平。通过计算间歇性闭环刺激使正常肌电活动跟踪某一目标水平的成功率(以当前正常肌电与目标水平的均方根值之比来评价)来评价TVR的可控性。对参与者逐个确定引起最高TVR效应的刺激频率，并测试诱导力调制[或肌电(EMG)幅度调制]是否随着刺激幅度的变化而变化。

实验二A结果图

       健康受试者：任务目标为先10%后15%最大等长收缩力控制。结果表明基线状态和最佳间歇状态之间的成功率差异相对较小，表明最佳间歇状态能够通过提高TVR的正常肌电激活水平来部分补偿由于去除视觉反馈而导致的性能下降。

       截肢受试者：任务目标为保持15%最大等长收缩力控制。结果表明使用最佳间歇闭合环维持参考目标的成功率(63.70±15.01%)显著高于基线条件下的成功率(49.52±16.78%)。

实验三A：比例刺激下的TVR传入整合

       本次实验目的是评估TVR效应与自愿控制的持续整合。

       这项评估通过比例闭环方法进行刺激，其中刺激的水平(振动的幅度)根据记录的肌肉活动按比例控制。这项测试将闭环刺激(作为肌肉激活的正反馈环)与受试者对肌肉活动的自主控制结合在一起，测试受试者是否能够成功地将闭环刺激整合到一起，以执行肌肉活动的目标任务。 

       目标任务：从10%的归一化最大EMG开始以每秒0.75%的速度跟踪坡道目标20s。随后维持5秒25%归一化最大EMG (下图B)。对比了接受振动刺激与不接受振动刺激(基线条件)的情况下完成相同任务时的表现。两种情况下受试者都收到了肌电输出视觉反馈。通过参考斜坡轨迹与EMG活动之间的均方根误差(RMSE)来评估跟踪轨迹的性能。

实验三A结果图

       结果表明，健康受试者成功地整合了比例闭环振动刺激的调制效应。启用比例闭环时，六名截肢者的平均误差(斜坡+保持)没有显著差异(1.41±0.95%比0.95±0.99%；P=0.24)(图D)。然而，在两名截肢者(TA1和TA5；图E)中，比例闭环刺激显著降低了跟踪轨迹的总误差，分别从1.02±0.48%和1.02±0.33%降至0.27±0.41%(P<0.05)。这些发现表明，截肢者在他们的自主控制中整合了比例闭合回路的调节效应，而没有任何重大的扰动。

实验三B：截肢者抓握过程中的比例传入反馈

       本次实验目的是评估将反馈策略添加到更自然日常的功能任务中的可行性。

       目标任务：将九块积木从一个隔间移到另一个隔间。每个块都需要以特定的顺序逐个运到目标位置。通过测量成功地将所有九个块从一个隔间运送到另一个隔间所需的时间来评估手动灵活性的提高。

       在被测试的参与者中，尽管没有显著差异(P=0.25)，但启用比例闭环(图A)时，运输所有块所需的时间比禁用时的63.83±23.22S减少到51.08±9.62S(如视频所示)，当启用比例闭环时，每次试验的总丢失块数从0.91±0.90块减少到0.33±0.65块。

实验三B结果图

研究意义

       论文提出了一种基于自然脊椎反射回路的假肢控制的感觉反馈框架——积极控制传入神经元的调制。这成为脊髓运动神经元突触输入的额外来源，调节运动神经元的输出。然后运动神经元的输出决定肌肉活动的水平，肌肉活动被用作控制信号，从而有效地实现脊椎水平的感觉-运动控制闭环。这种传入输入可能会激活脊髓回路，影响肌肉的神经输入，有助于假肢装置控制的逐步增强，但进一步的研究仍有必要。未来应进行更多的发力或控制输出实验，以进一步评估在具体功能任务中肌肉振动刺激所能引起的功能改善。