對(duì)于上肢截肢者而言，能夠像控制原生肢體一樣自如地控制假肢，是夢(mèng)寐以求的目標(biāo)。近年來(lái)，靶向肌肉神經(jīng)移植術(shù)（Targeted Muscle Reinnervation,TMR）已成為一項(xiàng)革命性技術(shù)。通過(guò)將殘端神經(jīng)重新導(dǎo)向至鄰近的“閑置”肌肉（如胸肌），這些肌肉便成為了截肢者運(yùn)動(dòng)意圖的“生物放大器”，其表面肌電信號(hào)可用于控制假肢。

然而，傳統(tǒng)TMR面臨一個(gè)核心挑戰(zhàn)：控制上肢的神經(jīng)（如正中神經(jīng)、尺神經(jīng)）是多功能、多束的“信息高速公路”，內(nèi)含指揮手部各種精細(xì)動(dòng)作的不同指令。當(dāng)整條神經(jīng)被轉(zhuǎn)移至一塊肌肉時(shí)，所有指令都匯聚于一點(diǎn)，導(dǎo)致肌電信號(hào)相互重疊、難以區(qū)分，限制了假肢的自由度控制。

為解決這一問(wèn)題，再生周?chē)窠?jīng)接口（RPNI）技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。它通過(guò)精細(xì)的外科手術(shù)將神經(jīng)分離成獨(dú)立的束組，并分別植入小的肌肉移植物中，旨在創(chuàng)造多個(gè)獨(dú)立的信號(hào)源。但RPNI亦存在局限：神經(jīng)分離帶有盲目性，可能損傷神經(jīng)；可創(chuàng)建的信號(hào)源數(shù)量有限；且小肌肉移植物的信號(hào)穩(wěn)定性難以保障。

那么，能否在不進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)較高的神經(jīng)分離手術(shù)的前提下，仍能從單塊再生的肌肉中提取出多個(gè)清晰的控制命令呢？一項(xiàng)發(fā)表于《自然-生物醫(yī)學(xué)工程》的最新研究給出了肯定的答案。由帝國(guó)理工學(xué)院Dario Farina教授和維也納醫(yī)科大學(xué)Oskar C.Aszmann教授共同領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)證明，結(jié)合高密度植入式微電極陣列和先進(jìn)的數(shù)學(xué)解碼算法，能夠從一個(gè)再支配肌肉的單個(gè)記錄位點(diǎn)，成功分離出來(lái)自多束神經(jīng)的不同功能信號(hào)。這項(xiàng)突破性研究為發(fā)展更強(qiáng)大、更精確的神經(jīng)機(jī)器接口開(kāi)辟了全新路徑。

帝國(guó)理工團(tuán)隊(duì)提出了一項(xiàng)創(chuàng)新假設(shè)：即使多束功能不同的神經(jīng)共同支配同一塊再生肌肉，只要使用足夠高空間分辨率的記錄手段，再輔以先進(jìn)的信號(hào)處理方法，就能夠在數(shù)學(xué)層面“功能性地”分離這些混合的神經(jīng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

為驗(yàn)證這一設(shè)想，研究團(tuán)隊(duì)在三名經(jīng)肱骨或肩關(guān)節(jié)水平截肢的男性受試者身上開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)。這些患者均在7至12年前接受了TMR手術(shù)，部分用于緩解神經(jīng)瘤疼痛，部分旨在改善假肢控制能力。研究人員在其四塊經(jīng)過(guò)神經(jīng)再支配的再生肌肉中植入了40通道的高密度微電極陣列，實(shí)現(xiàn)了對(duì)局部肌電信號(hào)的精細(xì)采集。

成功解碼111個(gè)運(yùn)動(dòng)單元，揭示神經(jīng)控制的生理機(jī)制

通過(guò)盲源分離技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)首次在人類(lèi)TMR肌肉中成功分解出共計(jì)111個(gè)信噪比超過(guò)30dB的單個(gè)運(yùn)動(dòng)單元（motor unit）活動(dòng)。這些運(yùn)動(dòng)單元的動(dòng)作電位形態(tài)多樣，部分伴有衛(wèi)星電位，放電頻率分布在12–18脈沖/秒之間，變異系數(shù)合理，整體處于正常生理范圍。

更重要的是，研究發(fā)現(xiàn)：

運(yùn)動(dòng)單元呈現(xiàn)出任務(wù)特異性激活模式，即某些單元僅在執(zhí)行特定幻肢動(dòng)作（如小指屈曲、三指捏握）時(shí)被募集；

即使在同一肌肉中，不同任務(wù)對(duì)應(yīng)的神經(jīng)驅(qū)動(dòng)具有高度正交性（余弦相似度低至0.05–0.12），表明大腦能獨(dú)立調(diào)控不同動(dòng)作；

通過(guò)非負(fù)矩陣分解（NNMF）等降維方法，研究人員識(shí)別出隱藏在高維運(yùn)動(dòng)單元活動(dòng)背后的“神經(jīng)流形”——一個(gè)低維潛在空間，能夠高效表征多種運(yùn)動(dòng)意圖。

例如，在兩塊肌肉（TMR1和TMR2）中，神經(jīng)流形的維度恰好等于任務(wù)數(shù)量（6和5），說(shuō)明每個(gè)任務(wù)都有獨(dú)特的神經(jīng)編碼模式；而在另兩塊肌肉中，盡管任務(wù)更多，五維流形已足以區(qū)分絕大多數(shù)動(dòng)作，體現(xiàn)了神經(jīng)系統(tǒng)模塊化控制的效率。

信號(hào)穩(wěn)定且可追蹤，具備臨床應(yīng)用潛力

研究還評(píng)估了系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。通過(guò)對(duì)同一任務(wù)在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始與結(jié)束時(shí)重復(fù)執(zhí)行，并追蹤相同運(yùn)動(dòng)單元的波形特征，結(jié)果表明大多數(shù)運(yùn)動(dòng)單元可在數(shù)小時(shí)內(nèi)穩(wěn)定重現(xiàn)，即使微電極發(fā)生輕微位移也能準(zhǔn)確匹配。這證明該系統(tǒng)具備良好的魯棒性和可重復(fù)性，是邁向長(zhǎng)期植入應(yīng)用的重要一步。

此外，相關(guān)性分析顯示，約35%–66%的運(yùn)動(dòng)單元接收共同突觸輸入，且這種協(xié)同激活同時(shí)存在于特異性與共享單元中，符合現(xiàn)代運(yùn)動(dòng)控制理論中的“運(yùn)動(dòng)協(xié)同”（motor synergy）模型。

未來(lái)展望與挑戰(zhàn)

這項(xiàng)研究標(biāo)志著仿生假肢控制領(lǐng)域的一個(gè)范式轉(zhuǎn)變。它表明，通過(guò)結(jié)合先進(jìn)的植入式電極和智能解碼算法，TMR技術(shù)有望釋放出比先前認(rèn)知更大的控制潛能，甚至可能超越RPNI在信號(hào)數(shù)量上的理論限制。研究者展望，未來(lái)或可通過(guò)將多條多束神經(jīng)轉(zhuǎn)移至同一塊肌肉，創(chuàng)建“超再支配”肌肉，從而復(fù)制整個(gè)缺失肢體的全部神經(jīng)信息，實(shí)現(xiàn)極其自然和直觀的假肢控制。

當(dāng)然，將這項(xiàng)技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室推向臨床應(yīng)用仍面臨挑戰(zhàn)。包括開(kāi)發(fā)更安全、更耐用、無(wú)線化的長(zhǎng)期植入式電極系統(tǒng)，以及實(shí)現(xiàn)解碼算法的實(shí)時(shí)化和自適應(yīng)化，以應(yīng)對(duì)日常生活中信號(hào)的自然波動(dòng)。

參考文獻(xiàn)

Ferrante,L.,Boesendorfer,A.,Barsakcioglu,D.Y.et al.Implanted microelectrode arrays in reinnervated muscles allow separation of neural drives from transferred polyfunctional nerves.Nat.Biomed.Eng(2025).