《iScience》：Biophysical characterization of the recording of unmyelinated and myelinated fiber activity with peripheral interfaces
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在神經工程應用中，從人類大小的外周神經電記錄非髓鞘纖維活動意義重大，但尚未得到充分驗證。研究人員通過模擬記錄人迷走神經，對比多種電極。結果顯示 TIME 電極有望記錄非髓鞘纖維活動，該研究為神經工程應用提供理論依據。
在神經科學的神秘世界里，外周神經就像一條條復雜的 “信息高速公路”，承載著各種重要的信號。其中，非髓鞘纖維雖然纖細，卻在許多自主和軀體功能中發揮著關鍵作用，它們的活動與免疫、代謝、心血管以及呼吸等系統緊密相連，還與軀體神經中的痛覺、熱覺和情感觸覺等感覺相關。然而，想要精確捕捉這些微小纖維的 “聲音” 并非易事。盡管從人類大小的外周神經電記錄非髓鞘纖維活動在神經工程應用方面潛力巨大，可目前僅有通過微神經圖（μNG）針在急性環境下實現記錄的案例，對于當前的植入式電極能否達成同樣效果，科學界尚無定論。這就如同在黑暗中摸索，我們知道前方有寶藏，但卻找不到開啟寶藏的鑰匙。
為了攻克這一難題，來自意大利圣安娜高等學校（Scuola Superiore Sant’Anna）的 Biorobotics Institute 和卓越機器人與人工智能系（Department of Excellence in Robotics and AI），以及意大利圣拉斐爾生命健康大學（Universita` Vita-Salute San Raffaele）和圣安娜高等學校的模塊化植入式神經假體（Modular Implantable Neuroprostheses，MINE）實驗室，還有瑞士洛桑聯邦理工學院（Ecole Polytechnique Federale de Lausanne）神經 X 研究所（Neuro-X Institute）的研究人員 Claudio Verardo、Simone Romeni 和 Silvestro Micera 展開了深入研究 。他們的研究成果發表在《iScience》雜志上，為這個神秘的領域帶來了新的曙光。
研究人員采用計算建模的方法，通過構建混合模型來模擬從人類迷走神經的記錄過程，對比研究了橫斷束內多通道電極（TIME）、微神經圖（μNG）針和商用袖帶電極在不同插入配置下，從非髓鞘和髓鞘纖維獲取記錄信號的能力。
建模工作流程和外周記錄案例研究
研究人員以人類頸迷走神經為模型，構建了直徑 2mm、包含單一 400μm 直徑束的神經模型。通過有限元建模（FEM）計算導聯場矩陣（LFM），結合多房室軸突模型模擬神經纖維的電活動，進而生成單單位動作電位（SUAP）和多單位信號（MUAP）。在模擬過程中，針對不同類型的纖維（大髓鞘纖維、小髓鞘纖維和非髓鞘纖維）和電極插入方式（束內插入、束外插入和神經外放置）進行了多種組合分析123。
SUAP 振幅對電極 - 纖維相對位置的復雜依賴
研究發現，髓鞘纖維的 SUAP 振幅會隨著記錄電極沿纖維移動或與纖維距離的增加而變化，存在近場區域和遠場區域。在近場區域，SUAP 振幅在 Ranvier 節點處達到最大值，在節點間的中間位置最��；而在遠場區域，這種縱向調制消失。對于非髓鞘纖維，SUAP 振幅僅取決于纖維與電極的距離，且與袖帶電極相比，束內電極的空間衰減更陡峭456。
近場束內 SUAPs：非髓鞘與髓鞘纖維振幅相似
當電極靠近目標纖維（近場區域）時，研究人員對比了不同纖維類型的 SUAP 振幅。結果顯示，對于束內插入（距離纖維 2μm），非髓鞘纖維的 SUAP 振幅與髓鞘纖維相當，甚至更大。進一步研究更多纖維類型發現，存在一個非髓鞘和髓鞘纖維 SUAP 振幅重疊的窗口，該窗口涉及直徑大于 0.5μm 的非髓鞘纖維，且范圍可達數十 μV789。
遠場束內 SUAPs：髓鞘纖維振幅大于非髓鞘纖維
當電極遠離纖維（遠場區域）時，研究發現束內電極記錄的 SUAPs 縱向依賴性減弱。此時，非髓鞘和髓鞘纖維的振幅仍具有可比性，但 1μm 和 1.5μm 的非髓鞘纖維的 SUAP 峰峰值小于 4μm 和 8μm 的髓鞘纖維。在這種情況下，重疊窗口變窄，主要存在于大的（>1.5μm）非髓鞘纖維和小的（<6μm）髓鞘纖維之間101112。
束內植入是有效轉導非髓鞘纖維的關鍵
通過對不同纖維與電極距離下 SUAP 峰峰值分布的精細分析，研究人員發現，對于束內插入，髓鞘和非髓鞘纖維在數十微米的電極 - 纖維距離內，SUAP 振幅均大于 10μV。而束外插入時，只有大髓鞘纖維在電極靠近束邊界時才能獲得如此強度的信號，非髓鞘纖維的 SUAP 峰峰值則被限制在幾 μV 以下1314。
袖帶電極：僅對復合動作電位呈現大記錄振幅
袖帶電極記錄的振幅受纖維位置影響較小，但不同纖維類型之間的振幅差異明顯。非髓鞘和髓鞘纖維的振幅分離程度較大，袖帶電極轉導的 SUAP 振幅較小，只有當多個纖維準同步激活產生復合動作電位時，信號振幅才可能超過噪聲水平151617。
電極封裝：可能導致近場區域消失
在慢性植入過程中，電極與神經組織之間會生長封裝組織。研究表明，TIME 電極周圍的封裝組織會降低 SUAP 振幅，增加不同纖維類型 SUAPs 之間的振幅分離，并縮小重疊窗口。袖帶電極與神經之間的封裝組織也會降低 SUAP 振幅，且這種降低與封裝組織厚度相關1819。
研究表明，當電極位于束內且靠近目標纖維時，非髓鞘纖維的 SUAP 振幅與髓鞘纖維相似甚至更高，這意味著 TIME 電極在類似條件下（如相對電極 - 纖維位置）具有與 μNG 針相似的轉導能力。然而，束外插入或使用袖帶電極時，記錄非髓鞘纖維活動存在一定挑戰。此外，電極封裝組織會影響記錄效果。
這項研究為理解外周神經記錄提供了重要的理論依據，為神經工程應用中選擇合適的電極和優化記錄方案提供了指導。同時，也為未來的實驗研究指明了方向，如改進手術程序以確保電極準確插入束內，開展慢性研究以記錄未受干擾的自主神經活動等。
在技術方法方面，研究人員主要運用了計算建模技術，通過構建神經和電極模型，模擬神經纖維的電活動以及電極記錄過程。具體包括采用有限元方法（FEM）計算導聯場矩陣（LFM），利用多房室軸突模型（如 MRG 模型和 Sundt 模型）模擬纖維的電活動，以及通過 MATLAB 生成單單位動作電位（SUAP）和多單位信號（MUAP）等 。
綜上所述，該研究成果為外周神經記錄領域帶來了新的突破，讓我們在探索神經奧秘的道路上又邁出了堅實的一步，為未來的神經工程應用和生物電子療法等提供了重要的理論支持和實踐指導。
