摘要在前期电刺激、机械刺激和化学刺激验证了采用微电子神经桥(M E N B)实现神经功能重建的基础上，为了使受控脊蟾蜍重建的动作更加协调，以自由活动的蟾蜍的坐骨神经信号作为信号源，以脊蟾蜍的坐骨神经为受控对象，借助M E N B实现了受控脊蟾蜍坐骨神经的功能重建。实验结果表明，受控脊蟾蜍在自由活动蟾蜍坐骨神经信号的控制下可以实现同步的伸缩腿动作。与其它刺激方式相比，这种刺激在动作协调性方面有了明显的改善。该研究工作提供了医疗康复训练的新途径。

    关键词微电子神经桥(M E N B)，神经功能重建，脊蟾蜍，康复训练

0引言

脊髓损伤患者约有一半因为脊髓完全损伤导致损伤部位以下的感觉功能和自主运动完全丧失。治疗脊髓损伤的研究是一项重要课题。近年来，学者们试图通过信号转导通路、神经营养因子、细胞移植、剔除神经生长抑制因子及基因治疗等方法来治疗脊髓损伤…I。其中，采用干细胞移植修复脊髓损伤的研究已经取得了阶段性成果，但到目前为止仍然处于实验室研究阶段_2 J。干细胞移植修复脊髓损伤迄今尚没有获得预期的满意结果，原因可能在于这种于预只能对脊髓损伤节段的受损神经元进行“替代”，很难解决上位神经元轴突损伤后导致的传导束中断的问题【3]。而重建损伤平面以下的低级中枢与皮质的联络通路对功能恢复具有决定性意义，因为传导束中断是脊髓损伤后功能障碍的主要原因。因此，尽管移植后的外源性干细胞存活很好，却不能恢复因传导束中断而丧失的那部分功能。

长期以来，科学家和康复医学工程师一直在为瘫痪病人康复设计控制肢体运动的功能电刺激(F E S)装置。F E S是采用外加的电信号刺激神经或肌肉来达到改善和提高相应功能的目的_4 j，可应用于重建上肢伸缩的动作，促进下肢站立、平衡、姿态和步态训练_5_5。F E S为实现瘫痪病人康复尤其是运动功能的修复提供了新方法和新技术。但是，由于人们现在还不能对肢体的一种最简单的运动所对应的神经编码进行解读，所以用人工编码的电脉冲作为控制信号产生的肢体运动与正常人肢体运动的自由度与和谐度相去甚远。当前，基于微电子学发展的集成电路的特征尺寸已进入纳米阶段，规模已从超大规模集成电路(v e r y l a r g e s c a l e i n t e g r a t e d c i r c u i t s，v k s~)发展到了系统芯片(s y s t e m o n c h i p，S O C)，应用电子信息科学和技术去认识作为生命重要组成部分的生物神经系统已受到广泛关注j。利用旁路受损神经传导束的微电子芯片或模块重建因神经通路中断而丧失的功能已成为可能L。

    2 0 0 5年，王志功、顾晓松和吕晓迎在国际上率先提出了微电子神经桥(m i c r o e l e c t r o n i e n e u r a l b r i d g e，M E N B)的方案l 8 j。与单独的神经信号探测电路和功能电激励电路不同，M E N B集成神经信号探测电路和神经功能电激励电路于一体，其目的是借助于可植入的微电子神经再生模块，代替中断的神经传导束，实现受损神经的信道桥接、信号再生和功能重建。在国家自然科学基金S O C重大专项支持下，这一创新性研究已经取得重要进展9 J。本课题组前期：采用5 0 0多只蟾蜍、5 0多只大鼠和多只家兔三种动物模型进行了3 8轮实验，实现了微电子辅助的神经信号再生和初步的功能重建。基于M E N B以蟾蜍为动物模型的再生实验已开展2 2轮，就刺激方式来说，采用了电刺激、机械刺激和化学刺激，验证了利用M E N B实现神经功能重建的可行性。为了使得受控对象能产生更协调的动作，并且不对受控对象产生伤害性刺激，在前期研究工作的基础上，本研究采用自由活动时的蟾蜍坐骨神经信号作为激励信号源，借助M E N B实现受控脊蟾蜍运动功能的重建。

1 M E N B系统结构

    M E N B是代替受损的生物神经实现神经信道桥接、信号再生和功能重建的微电子系统。其系统结构如图1所示。M E N B的主体电路包括前置放大电路、信号处理电路、主放大电路和功能电激励驱动电路。

 

 

前置放大电路部分是本系统设计的重点也是难点。为了检测出背景噪声覆盖的微弱神经信号，前置放大器必须使用低噪声运放。因为，一方面，神经信号本身极其微弱，其幅值仅在几十到几百微伏量级。另一方面，信号源阻抗大，背景噪声强。背景噪声来源广泛，有神经电极热噪声、放大器的1 I f噪声，还有心电信号和其他组织产生的干扰信号，但最主要是电极极化电压干扰和近场5 0 H z干扰。电极与生物体之间产生的极化电压可达3 0 0 m V。5 0 H z的干扰信号强度通常也会远远高于神经信号的强度。不过由于大多数干扰信号可以被视为共模信号，为了降低噪声，我们的系统采用了具有差分电路结构和差分输入方式的低噪声集成运放，并根据神经信号的频谱范围设定了系统的带宽。针对信号源阻抗高且不稳定的特点，系统采用缓冲隔离级并与滤波网络和前置放大级共同组成模拟前端对神经信号进行预放大，同时对干扰进行有效抑制。

滤波网络为一个低通网络，用来限制系统的带宽，去除高频电磁噪声的影响。滤波网络的差模信号截止频率B W D I F F为

 

R 3、C 3与运算放大器O P A 4所组成的积分电路作为反馈电路，与仪表放大器O P A 3组成具有交流放大特性的前置放大级。前置放大器的下限截止频率为

 

 

 

     一般来说，仪表放大器对高于2 0 k H z的信号已经没有共模抑制能力，该低通网络的使用可以使放大器更有效地工作。

来自前置放大器的神经信号由主放大级进一步放大后送人功能激励电路。主放大级的核心是由O P A 3构成的仪表放大器，具有较高的输入阻抗与共模抑制比，并且只需外接一个电阻而实现增益可调。

最后一级是电压电流转换电路。因为电极阻抗是电流密度和时间的复杂非线性函数，在用电压型刺激波形时组织处的电场是未知的，也是不可以被控制的。所以我们采用电流型刺激方式，从而保证在受刺激组织处的电场与极化电压无关。电压电流转换电路中使R：R 5=R 6：R，根据加法器和跟随器的特点，很容易推导得

 

 

调节电阻8可以改变系统跨导值，R 8和电压增益调节电阻R一起构成微电子神经桥的多档调节。图2所示为我们设计制作的双通道微电子神经桥实物图。设计的输出电流范围为0～1 5 m A，可以满足生物神经功能电激励的需要。

 

2 M E N B应用于动物运动功能重建

2．1动物模型

    在前期的动物实验中，我们采用脊蟾蜍(去除了头或毁脑的蟾蜍)进行了神经信号再生和功能重建的实验。引入脊蟾蜍有两大优点：一是不需要麻醉，这样不会抑制神经信号的产生和传播，也不会拟制神经功能电激励产生相应的神经信号。二是作为两栖动物，蟾蜍整个躯体可以在不受大脑控制的情况下保持生物活性数小时。这两点都非常有利于神经再生实验的顺利进行。虽然信源蟾蜍和受控蟾蜍都为脊蟾蜍，在信源脊蟾蜍的脚趾上施加电刺激、机械刺激和化学刺激时，其实验结果证明了M E N B的可行性。但我们最终的目标是希望能使受控对象有更接近自然的协调动作行为。所以本文实验采用自由爬行的完好蟾蜍作为信源蟾蜍，即再生信号源是一个与蟾蜍自由爬行密切相关的坐骨神经信号。受控对象还是脊蟾蜍。

2．2神经电子接口

    神经电极作为神经信号的检测器和激励器，是生物信息系统和电子信息系统的重要接口部件。由于本实用系统中，信源蟾蜍是一只完好的自由爬行的蟾蜍，受控蟾蜍是脊蟾蜍，且通过电极采集的是坐骨神经信号，根据这一实验环境我们定制了4通道、直径1．5 m m、间距2 m m的卡肤(c u f)电极(美国一c r o p r o b e s公司生产)。该电极有3个特点：一是环形电极丝是纯铂金丝，电阻小，有利于记录微弱的神经信号；二是便于安装，通过硅胶将电极做成圆柱形，侧面有一个切口，外侧有安装时用于拉开开口的线绳；三是根据实验对象神经的粗细定制的电极，与神经接触良好，即使用在自由活动的蟾蜍体内，也能稳定地记录到坐骨神经信号。

2．3实验过程及结果

为了消除人们对同一实验动物体内信息通道旁路作用的疑问，我们引入了异体神经信号再生的方案。整个实验如图3所示。分别在信源蟾蜍和受控脊蟾蜍左腿坐骨神经上安装卡肤电极。将受控脊蟾蜍坐骨神经上的4通道卡肤电极的近脑侧两个通道用作双端功能电激励；第三个通道接地以便消除刺激伪迹；第四通道用作再生信号监测电极，其参考电极位于距离监测电极1 1 2／／1处的肌肉中。参考电极采用自制的针灸电极，该电极针体采用具有生物相容性的帕利灵绝缘(上海特殊涂覆公司加工)，针尖裸露l m m。将信源蟾蜍皮肤表面接地。接通M E N B，使信源蟾蜍自由活动，观测受控脊蟾蜍与自由爬行的信源蟾蜍动作行为对应关系并记录信号。结果发现受控脊蟾蜍在自由活动蟾蜍的坐骨神经信号控制下有同步的伸缩腿动作。记录到的信源蟾蜍和受控脊蟾蜍坐骨神经信号如图4所示。

 

3讨论

    M E N B的最终目标是利用生物体自发的控制运动的信号来控制瘫痪的肢体的活动。本文实验的意义在于信号源是自由活动动物的神经信号，而非其他外在的电刺激、机械刺激和化学刺激，向重建和谐动作又迈进了～步。除了M E N B可用于受损神经通路的桥接功能外，根据本文实验结果还可以推想用于康复训练的两个方案：一是可以将健康人肢体运动相关的神经信号探测出来，通过M E N B与瘫痪病人的运动控制神经系统联系起来，从而使瘫痪病人的肢体在健康人动作相关神经信号的控制下，完成类似的和谐动作，达到康复锻炼的目的；二是可以从半身不遂的患者的健康腿上取出与运动相关的信号，通过M E N B控制瘫痪侧的大腿动作，从而可以实现瘫痪病人自行康复锻炼的目的。因此，本实验将在实现截瘫病人康复方面具有潜在的应用价值。

    我们知道肢体的和谐运动涉及多根神经的共同参与，要实现和谐动作应由多路神经信号控制，需要相对复杂的系统来完成，我们正朝着这个目标努力。作为实验的第一步，我们采用单路信号的传递和功能电激励，但实验证明这样的单路控制也能实现伸缩腿的和谐运动。这提示我们，生物系统的动作不完全是机械运动的一一对应关系。由于脊髓中反射回路的存在，与文献[1 O]中描述的感觉反馈不是通过神经通路反馈而是通过触发神经残端保留下来的感觉轴突一样，运动行为也可以通过神经束外的触发方式来驱动。

    由于采集信号的接口是钩状的卡肤电极，是对坐骨神经外膜上电信号的采集，坐骨神经是混合神经，所以记录到的神经信号既包含上行的感觉信号又包含下行的运动信号，同时，这一信号又是神经束内不同神经纤维信号的复合，如何对神经信号进行编码和解码，从而得到一组协调运动所对应的控制信号有待进一步研究。

    另外，目前我们开展的实验虽然对坐骨神经而言是非侵入式的，但对于生物体来说还是侵入式的。如果通过非手术或者微创的方式来实现，无论对信源生物体还是受控生物体是更容易接受的，目前我们正在向这一方向探索推进。

4结论

    本文在课题组设计的M E N B成功应用于神经功能再生实验的基础上，为了使重建的动作更协调，采用自由爬动的蟾蜍坐骨神经信号作为信号源，脊蟾蜍的坐骨神经为受控对象，经M E N B的桥接后，开展的6轮重复实验均实现了受控脊蟾蜍在自由活动蟾蜍神经信号驱动下产生同步的伸缩腿动作。这一实验结果不仅表明M E N B可以代替受损的神经传导束传递神经信号，为解决神经束损伤的医学难题提供了一条新途径，而且还可以应用于瘫痪病人的康复训练，为康复训练提供新方法。致谢：感谢南京医科大学高兴亚教授关于脊蟾蜍动物模型的建议和电生理知识方面的有益指导和讨论。