Các nhà khoa học tìm ra cách điều khiển cơ bắp bằng ánh sáng

Đối với những người bị liệt hoặc cụt chi, hệ thống thần kinh giả kích thích sự co cơ một cách nhân tạo bằng dòng điện có thể giúp họ lấy lại chức năng chi. Tuy nhiên, dù đã được nghiên cứu nhiều năm nhưng loại chân giả này không được sử dụng rộng rãi vì dẫn đến tình trạng mỏi cơ nhanh và khả năng kiểm soát kém.

Các nhà nghiên cứu của MIT đã phát triển một phương pháp mới mà họ hy vọng một ngày nào đó có thể giúp kiểm soát cơ bắp tốt hơn mà ít mệt mỏi hơn. Thay vì sử dụng điện để kích thích cơ bắp, họ sử dụng ánh sáng. Trong một nghiên cứu trên chuột, các nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng kỹ thuật quang sinh này mang lại khả năng kiểm soát cơ chính xác hơn, cùng với đó là giảm mệt mỏi đáng kể.

Hugh Herr, giáo sư khoa học và nghệ thuật truyền thông, cho biết: “Hóa ra là bằng cách sử dụng ánh sáng, thông qua quang học, người ta có thể điều khiển cơ một cách tự nhiên hơn. Về mặt ứng dụng lâm sàng, loại giao diện này có thể có tiện ích rất rộng”. giám đốc Trung tâm Sinh học K. Lisa Yang tại MIT và là thành viên liên kết của Viện Nghiên cứu Não McGovern của MIT.

Quang di truyền học là một phương pháp dựa trên các tế bào biến đổi gen để biểu hiện các protein nhạy cảm với ánh sáng, cho phép các nhà nghiên cứu kiểm soát hoạt động của các tế bào đó bằng cách cho chúng tiếp xúc với ánh sáng. Cách tiếp cận này hiện không khả thi ở người, nhưng Herr, sinh viên tốt nghiệp MIT Guillermo Herrera-Arcos và các đồng nghiệp của họ tại Trung tâm Sinh học K. Lisa Yang hiện đang nghiên cứu cách đưa các protein nhạy cảm với ánh sáng vào mô người một cách an toàn và hiệu quả.

Herr là tác giả chính của nghiên cứu được đăng trên tạp chí Science Robotics . Herrera-Arcos là tác giả chính của bài báo.

Trong nhiều thập kỷ, các nhà nghiên cứu đã khám phá việc sử dụng kích thích điện chức năng (FES) để kiểm soát các cơ trong cơ thể. Phương pháp này liên quan đến việc cấy ghép các điện cực kích thích các sợi thần kinh, khiến cơ co lại. Tuy nhiên, sự kích thích này có xu hướng kích hoạt toàn bộ cơ bắp cùng một lúc, đây không phải là cách cơ thể con người kiểm soát sự co cơ một cách tự nhiên.

Herr cho biết: “Con người có được khả năng kiểm soát chính xác đáng kinh ngạc này, điều này đạt được nhờ sự huy động tự nhiên của cơ, trong đó các đơn vị vận động nhỏ, sau đó có kích thước vừa phải, rồi các đơn vị vận động lớn được huy động theo thứ tự đó khi cường độ tín hiệu tăng lên”. "Với FES, khi bạn kích hoạt cơ bằng điện một cách giả tạo, các đơn vị lớn nhất sẽ được tuyển dụng trước tiên. Vì vậy, khi bạn tăng tín hiệu, ban đầu bạn không nhận được lực và sau đó đột nhiên bạn nhận được quá nhiều lực."

Lực lớn này không chỉ khiến việc kiểm soát cơ tốt trở nên khó khăn hơn mà còn khiến cơ bị mỏi nhanh chóng, trong vòng 5 hoặc 10 phút.

Nhóm MIT muốn xem liệu họ có thể thay thế toàn bộ giao diện đó bằng một thứ gì đó khác hay không. Thay vì dùng điện cực, họ quyết định thử kiểm soát sự co cơ bằng máy phân tử quang học thông qua quang di truyền học.

Sử dụng chuột làm mô hình động vật, các nhà nghiên cứu đã so sánh lượng lực cơ mà chúng có thể tạo ra bằng cách sử dụng phương pháp FES truyền thống với lực được tạo ra bằng phương pháp quang sinh học của chúng. Đối với các nghiên cứu về quang sinh học, họ đã sử dụng những con chuột đã được biến đổi gen để biểu hiện một loại protein nhạy cảm với ánh sáng có tên là kênhrhodopsin-2. Họ cấy một nguồn sáng nhỏ gần dây thần kinh xương chày, nơi điều khiển các cơ ở cẳng chân.

Các nhà nghiên cứu đã đo lực cơ khi họ tăng dần lượng kích thích ánh sáng và nhận thấy rằng, không giống như kích thích FES, kiểm soát quang sinh học tạo ra sự co bóp tăng dần, đều đặn của cơ.

"Khi chúng ta thay đổi sự kích thích quang học mà chúng ta truyền đến dây thần kinh, chúng ta có thể kiểm soát lực của cơ một cách tương ứng, gần như tuyến tính. Điều này tương tự như cách các tín hiệu từ não điều khiển cơ của chúng ta. Vì lý do này, nó Việc kiểm soát cơ trở nên dễ dàng hơn so với kích thích điện", Herrera-Arcos nói.

Sử dụng dữ liệu từ những thí nghiệm đó, các nhà nghiên cứu đã tạo ra một mô hình toán học về kiểm soát cơ quang sinh. Mô hình này liên hệ lượng ánh sáng đi vào hệ thống với đầu ra của cơ (lực được tạo ra là bao nhiêu).

Mô hình toán học này cho phép các nhà nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển vòng kín. Trong loại hệ thống này, bộ điều khiển đưa ra tín hiệu kích thích và sau khi cơ co lại, một cảm biến có thể phát hiện xem cơ đang tác dụng bao nhiêu lực. Thông tin này được gửi trở lại bộ điều khiển để tính toán xem có cần điều chỉnh mức độ kích thích ánh sáng hay không và ở mức độ nào để đạt được lực mong muốn.

Sử dụng kiểu kiểm soát này, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng cơ bắp có thể được kích thích trong hơn một giờ trước khi mệt mỏi, trong khi cơ bắp trở nên mệt mỏi chỉ sau 15 phút sử dụng kích thích FES.

Một trở ngại mà các nhà nghiên cứu hiện đang nỗ lực khắc phục là làm thế nào để đưa các protein nhạy cảm với ánh sáng vào mô người một cách an toàn. Cách đây vài năm, phòng thí nghiệm của Herr đã báo cáo rằng ở chuột, những protein này có thể kích hoạt phản ứng miễn dịch làm bất hoạt protein và cũng có thể dẫn đến teo cơ và chết tế bào.

Herr nói: “Mục tiêu chính của Trung tâm Sinh học K. Lisa Yang là giải quyết vấn đề đó. "Một nỗ lực đa hướng đang được tiến hành để thiết kế các protein nhạy cảm với ánh sáng mới và các chiến lược để cung cấp chúng mà không gây ra phản ứng miễn dịch."

Là những bước bổ sung để tiếp cận bệnh nhân, phòng thí nghiệm của Herr cũng đang nghiên cứu các cảm biến mới có thể dùng để đo lực và chiều dài cơ, cũng như những cách mới để cấy ghép nguồn sáng. Nếu thành công, các nhà nghiên cứu hy vọng chiến lược của họ có thể mang lại lợi ích cho những người bị đột quỵ, cắt cụt chi và chấn thương tủy sống, cũng như những người khác bị suy giảm khả năng kiểm soát chân tay.

Herr nói: “Điều này có thể dẫn đến một chiến lược xâm lấn tối thiểu có thể thay đổi cuộc chơi về mặt chăm sóc lâm sàng cho những người mắc bệnh lý về chi”.

Nguồn Viện Công nghệ Massachusetts