Nature BME：用于神经假体反馈的皮肤-机械接口

皮肤感觉在人类的认知、情感、发育和行为过程中起着重要作用。作为一种多功能的外部感知、沟通和保护的媒介，皮肤利用特殊的受体（接触、压力、剪切、疼痛、振动和温度）来创造一个复杂的不同信号的集合，这些信号被周围神经系统巧妙地整合在一起。由此产生的传入反馈为人类提供了一种触觉，这对于平衡、运动和姿势控制、握力和物体操纵至关重要。

目前的截肢手术抛弃了皮肤的感觉器官。标准护理假肢系统专注于恢复肢体的机械部件，几乎没有神经控制和皮肤反馈。因此，患者的感觉体验和运动功能显著降低；例如，上肢截肢患者通常无法完成精细运动任务，如扣衬衫。越来越多的证据表明，神经假体的感觉反馈在增强信心、移动性和功能性方面具有积极的影响，同时也减少了精神和身体疲劳。因此，本文设计了一种用于神经假体反馈的皮肤-机械接口（CMI）。

在CMI中，肌肉与天然或再生皮瓣进行手术连接，以实现接触或压力的分级感觉。在功能性电刺激之后，肌肉的激活会在皮肤上施加一个与假肢传感器测量到的外部感觉成比例的可控应变或振动。皮肤的机械变形通过游离神经末梢和皮肤中的四个低阈值机械感受器（LTMRs），即迈斯纳小体、帕西尼小体、鲁菲尼小体和默克尔细胞转化为传入信号。不同的启动模式可以激活这些缓慢适应（SA）和快速适应（RA）受体，从而产生一系列的感觉。由于传入信号将由自然存在的机械感受器产生，这些机械感受器编码静态接触、压迫和振动，并通过其固有的神经轴突传递，映射到同源感觉区域。本文评估了CMI的神经力学特性。假设肌肉刺激可以被调节以产生分级的触觉和不同的振动模式。刺激参数阵列能独立地同时激活SA和RA受体。

CMIs的构建方法是将腓神经支配的EDL肌瓣包裹在内侧后肢的带蒂皮瓣周围。每周，电刺激肌肉移植物的神经，以评估神经再支配和诱发皮瓣收缩。在第2周和第4周，在90秒的记录间隔内，肌移植物中自发束状收缩的平均比率从3降低到0，表明肌移植物的神经再支配。随着时间的推移，观察到肌肉激活的最小阈值降低，这证实了神经再支配。通过模拟静态接触的各种刺激参数来驱动CMI，以评估其产生分级传入的能力，这些传入代表了在不断增大的幅度上的接触力。随着压痕的增加，神经电图（ENG）振幅呈现出渐变的变化。传入反应表现出明显的分级，在高于2 mA的刺激幅度下具有较强的信噪比，并且在重复刺激下没有脱敏。12 mA的刺激使皮瓣产生强烈和最大的收缩。为了验证传入神经是由机械驱动而不是直接电激活产生的，将肌肉与皮肤分离并进行电刺激。即使在最高电流强度下，也没有记录到来自皮瓣的传入。在0.5 Hz和80 Hz之间诱导肌肉刺激频率，并记录来自CMI的传入反应。鉴于肌肉的电化学耦合特性、阻尼和疲劳性，超过80 Hz的振动无法启动。CMI的传入反应遵循0.5 Hz和80 Hz之间的刺激频率。即使在阈值为0.75的情况下，传入纤维之间的一致性分析也没有统计上的相似性。CMI对高频振动的高度敏感性与CMI的解剖功能一致。组织学分析表明，CMI作为一种具有预期结构的复合组织已被重新神经支配和血运重建，并且能够通过存在于真皮层中的天然机械传递子传递神经信号。

总之，CMI是一种复合组织，能够重建和传递生理传入感觉。从重建、整形和神经外科领域接受的外科技术的战略组合用于CMI的构建有助于临床转化。与以前的方法不同，CMIs通过用天然的机械传递子重建丢失的末端器官，在生理上自然的时间尺度和构型上激活受体群。这种终末器官组织的重组可以应用于神经肌肉疾病、器官移植和恶性肿瘤等领域的一系列临床问题。随着神经修复技术在肢体缺损治疗中的应用，CMI通过对神经末梢器官组织的重组，为患者提供了更真实的神经修复感觉体验。

S. Srinivasan, S., M. Herr, H. A cutaneous mechanoneural interface for neuroprosthetic feedback. Nat Biomed Eng (2021). https://doi.org/10.1038/s41551-020-00669-7