Zusammenfassung: Forscher haben eine neue Möglichkeit entwickelt, Muskeln mit Licht statt mit Strom zu steuern. Diese optogenetische Technologie ermöglicht eine präzisere Muskelkontrolle und reduziert die Ermüdung bei Mäusen deutlich. Obwohl dieser Ansatz beim Menschen derzeit nicht möglich ist, könnte er die Prothetik revolutionieren und Menschen mit eingeschränkter Gliedmaßenfunktion helfen.

Wichtige Fakten:

• Die optische Muskelstimulation bietet eine präzisere Kontrolle als die elektrische Stimulation.
• Diese Methode reduziert die Muskelermüdung im Vergleich zu herkömmlichen Methoden erheblich.
• Forscher arbeiten daran, Wege zu finden, lichtempfindliche Proteine ​​sicher in menschliches Gewebe zu transportieren.

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Bei Menschen mit Lähmungen oder Amputationen können neuroprothetische Systeme, die die Muskelkontraktion mit elektrischem Strom künstlich stimulieren, dabei helfen, die Funktion der Gliedmaßen wiederherzustellen. Trotz langjähriger Forschung findet diese Art von Prothese jedoch keine breite Anwendung, da sie zu schneller Muskelermüdung und schlechter Kontrolle führt.

Forscher vom MIT haben einen neuen Ansatz entwickelt, von dem sie hoffen, dass er eines Tages eine bessere Muskelkontrolle bei weniger Ermüdung ermöglicht. Anstatt Elektrizität zur Muskelstimulation zu nutzen, nutzten sie Licht. In einer an Mäusen durchgeführten Studie zeigten Forscher, dass diese optogenetische Technik eine präzisere Muskelkontrolle sowie eine deutliche Verringerung der Müdigkeit ermöglicht.

„Es stellt sich heraus, dass man durch den Einsatz von Licht und durch Optogenetik die Muskeln natürlicher steuern kann“, sagt Hugh Herr, Professor für Medienkunst und -wissenschaften, Co-Direktor des K. Lisa Young Center for Bioelectronics am MIT und assoziierter Dozent Mitglied am MIT: „Im Hinblick auf die klinische Anwendung könnte diese Art von Schnittstelle einen sehr breiten Nutzen haben.“

Optogenetik ist ein Ansatz, bei dem Zellen gentechnisch verändert werden, um lichtempfindliche Proteine ​​zu exprimieren. Dadurch können Forscher die Aktivität dieser Zellen steuern, indem sie sie Licht aussetzen. Dieser Ansatz ist derzeit beim Menschen nicht möglich, aber Hare, MIT-Doktorand Guillermo Herrera Arcos und ihre Kollegen am K. Lisa Yang Bioelectronics arbeitet derzeit an Möglichkeiten, lichtempfindliche Proteine ​​sicher und effektiv in menschliches Gewebe zu transportieren.

Hare ist Hauptautor der Studie, die heute in erscheint Wissenschaftliche Robotik. Herrera Arcos ist der Hauptautor dieses Artikels.

Visuelle Kontrolle

Seit Jahrzehnten erforschen Forscher den Einsatz funktioneller Elektrostimulation (FES) zur Steuerung der Körpermuskulatur. Bei dieser Methode werden Elektroden implantiert, die Nervenfasern stimulieren und so eine Kontraktion der Muskeln bewirken. Diese Stimulation aktiviert jedoch tendenziell den gesamten Muskel auf einmal, was nicht der natürlichen Art und Weise entspricht, wie der menschliche Körper die Muskelkontraktion steuert.

„Menschen verfügen über eine erstaunliche Präzision der Kontrolle, die durch natürliche Muskelrekrutierung erreicht wird, bei der kleine, dann mittlere und schließlich große motorische Einheiten in dieser Reihenfolge mit zunehmender Signalstärke rekrutiert werden“, sagt Hare. „Wenn man mit FES den Muskel künstlich mit Strom beaufschlagt, werden die größten Einheiten zuerst rekrutiert. Wenn das Signal also zunimmt, erhält man zunächst keine Kraft und dann plötzlich viel Kraft.

Diese große Kraft erschwert nicht nur eine präzise Muskelkontrolle, sondern ermüdet die Muskeln auch schnell, innerhalb von fünf bis zehn Minuten.

Das MIT-Team wollte sehen, ob es die gesamte Schnittstelle durch etwas anderes ersetzen könnte. Anstelle von Elektroden beschlossen sie, die Muskelkontraktion mithilfe optischer molekularer Maschinen über die Optogenetik zu steuern.

Anhand von Mäusen als Tiermodell verglichen die Forscher die Menge an Muskelkraft, die sie mit dem traditionellen FES-Ansatz erzeugen konnten, mit den Kräften, die mit ihrer optischen Methode erzeugt wurden. Für die optogenetischen Studien verwendeten sie Mäuse, die bereits genetisch so verändert waren, dass sie ein lichtempfindliches Protein namens Channelrhodopsin-2 exprimierten. Sie implantierten eine kleine Lichtquelle in der Nähe des Schienbeinnervs, die die Muskeln des Unterschenkels steuert.

Die Forscher maßen die Muskelkraft, während sie die Menge der optischen Stimulation schrittweise erhöhten, und stellten fest, dass die optogenetische Kontrolle im Gegensatz zur FES-Stimulation zu einer stetigen und allmählichen Steigerung der Muskelkontraktion führte.

„Wenn wir die visuelle Stimulation, die wir dem Nerv geben, variieren, können wir die Kraft des Muskels proportional und nahezu linear steuern. Dies ähnelt der Steuerung unserer Muskeln durch Signale unseres Gehirns.“ einfacher im Vergleich zur Elektrostimulation.“

Ermüdungsbeständigkeit

Mithilfe der Daten aus diesen Experimenten erstellten die Forscher ein mathematisches Modell der genetischen Muskelkontrolle. Dieses Modell verknüpft die in das System eintretende Lichtmenge mit der Muskelleistung (der erzeugten Kraftmenge).

Dieses mathematische Modell ermöglichte es den Forschern, einen Regler mit geschlossenem Regelkreis zu entwerfen. Bei dieser Art von System liefert ein Controller ein stimulierendes Signal, und nachdem sich der Muskel zusammengezogen hat, kann ein Sensor die vom Muskel ausgeübte Kraft erfassen. Diese Informationen werden an die Steuereinheit zurückgesendet, die berechnet, ob und um wie viel die Lichtstimulation angepasst werden muss, um die gewünschte Stärke zu erreichen.

Mithilfe dieser Art der Kontrolle stellten die Forscher fest, dass die Muskeln länger als eine Stunde lang stimuliert werden konnten, bevor sie ermüdeten, während die Muskeln bei Verwendung der FES-Stimulation bereits nach 15 Minuten ermüdeten.

Eine Hürde, die Forscher derzeit überwinden müssen, besteht darin, lichtempfindliche Proteine ​​sicher in menschliches Gewebe zu transportieren. Vor einigen Jahren berichtete Hares Labor, dass diese Proteine ​​bei Ratten eine Immunantwort auslösen können, die die Proteine ​​inaktiviert und auch zu Muskelschwund und Zelltod führen kann.

„Das Hauptziel des K. Lisa Yang Electronics Center ist die Lösung dieses Problems“, sagt Hare. „Es sind vielfältige Bemühungen im Gange, neue lichtempfindliche Proteine ​​und Strategien für deren Abgabe zu entwickeln, ohne eine Immunantwort auszulösen.“

Als weitere Schritte, um menschliche Patienten zu erreichen, arbeitet Herrs Labor auch an neuen Sensoren, mit denen sich Muskelkraft und -länge messen lassen, sowie an neuen Möglichkeiten, eine Lichtquelle zu implantieren. Im Erfolgsfall hoffen die Forscher, dass ihre Strategie Menschen zugute kommt, die Schlaganfälle, Amputationen und Rückenmarksverletzungen erlitten haben, sowie andere mit schlechter Kontrolle über ihre Gliedmaßen.

„Dies könnte zu einer minimalinvasiven Strategie führen, die die klinische Versorgung von Menschen mit Gliedmaßenerkrankungen grundlegend verändern wird“, sagt Hare.

Finanzierung: Die Forschung wurde vom K. Lisa Yang Center for Bioelectronics am MIT finanziert.

Über Neuigkeiten aus der Optogenetik- und Neurowissenschaftsforschung

Autor: Melanie Grados
Quelle: mit
Kommunikation: Melanie Grados – Massachusetts Institute of Technology
Bild: Bildquelle: Neuroscience News

Ursprüngliche Suche: Geschlossener Zugang.
„Die optogenetische Neuromodulation mit geschlossenem Regelkreis ermöglicht eine Muskelkontrolle mit hoher Präzision und Ermüdungsresistenz„Von Hugh Hare et al. Wissenschaftliche Robotik

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eine Zusammenfassung

Die optogenetische Neuromodulation mit geschlossenem Regelkreis ermöglicht eine Muskelkontrolle mit hoher Präzision und Ermüdungsresistenz

Neuroprothetik mit geschlossenem Regelkreis ist vielversprechend bei der Wiederherstellung der Bewegungsfähigkeit bei Personen mit neurologischen Erkrankungen.

Herkömmliche Aktivierungsstrategien, die auf funktioneller Elektrostimulation (FES) basieren, sind jedoch nicht in der Lage, die Muskelkraft genau zu modulieren, und es kommt zu einer schnellen Ermüdung aufgrund unphysiologischer Rekrutierungsmechanismen.

Hier stellen wir ein Regelwerk mit geschlossenem Regelkreis vor, das die physiologische Kraftmodulation unter funktioneller optogenetischer Stimulation (FOS) nutzt, um eine hochpräzise Muskelkontrolle über lange Zeiträume (>60 Minuten) in vivo zu ermöglichen.

Wir haben zunächst die Kraftmodulationseigenschaft von FOS untersucht, die im Vergleich zu FES eine stärkere physiologische Rekrutierung und deutlich höhere Modulationsbereiche (>320 %) zeigt.

Zweitens haben wir ein neuromuskuläres Modell entwickelt, das die hochgradig nichtlineare Dynamik visuell stimulierter Muskeln genau beschreibt.

Drittens haben wir auf der Grundlage des optogenetischen Modells eine Echtzeit-Muskelkraftkontrolle mit verbesserter Leistung und Ermüdungsresistenz im Vergleich zu FES demonstriert.

Diese Arbeit legt den Grundstein für ermüdungsresistente Nervenprothesen und optogenetisch gesteuerte Biohybridroboter mit hochpräziser Kraftmodulation.