无线光遗传刺激系统实现小鼠前肢亚神经分辨率长期功能评估

为解决周围神经损伤后功能恢复评估难题，研究团队开发了完全可植入多通道光遗传刺激系统（FIMOSS），实现对臂丛神经亚神经分辨率的无线可编程长期功能评估。该系统在Thy1-ChR2-EYFP小鼠中成功诱导特异性复合肌肉动作电位（CMAP）和前肢运动，并在脑损伤后神经移位模型中连续12周监测移位神经与邻近神经对多肌肉的神经支配模式，为神经损伤后个性化诊疗提供新工具。

周围神经或中枢神经系统损伤常导致严重的肢体感觉运动缺陷，显著影响患者生活质量并成为全球性健康负担。臂丛神经等周围神经丛由多个神经束组成，精细支配不同肌群，这种解剖特性要求神经调控技术具备选择性靶向不同神经束的能力。传统电刺激存在空间分辨率不足的问题，而光遗传学技术因其更高的时空精度成为理想解决方案。然而，现有设备难以实现小动物模型中亚神经分辨率的长期可靠调控。

针对这一挑战，复旦大学周明杰、严彪、杨福魁等研究人员在《Nature Communications》发表了最新研究成果，开发了一种完全可植入多通道光遗传刺激系统（FIMOSS）。该系统专门为臂丛神经等周围神经丛的无线、可编程和长期功能评估而设计，具有亚神经分辨率特性。

研究人员采用的关键技术方法包括：基于柔性印刷电路（FPC）的微型化器件制造技术，集成4个μLED的神经袖带电极（MOSD II）设计，2MHz谐振电感耦合无线供电系统，振幅调制无线通信协议，以及聚对二甲苯C（Parylene C）和聚二甲基硅氧烷（PDMS）双层封装工艺。研究使用Thy1-ChR2-EYFP转基因小鼠模型，通过创伤性脑损伤（TBI）和对侧C7神经移位术（CC7）模型验证系统性能。

设计制造与性能表征

FIMOSS由植入体和外部设备组成，植入体总重仅0.127g，占小鼠平均体重的0.5%。MOSD II可灵活环绕周围神经，不同μLED能从不同角度激活特定神经束，实现亚神经分辨率刺激。电子设计采用6层柔性电路板，使用倒装芯片μLED替代传统的线键合μLED，增强了焊接可靠性。器件采用12μm聚对二甲苯C涂层和500μm PDMS封装，确保长期植入稳定性。加速老化实验表明器件在60℃盐水中保持19天正常运作，相当于体内至少93天的使用寿命。

无线传输与热安全特性

系统通过2MHz谐振电感耦合实现无线供电，采用振幅调制以1.2kHz波特率进行单向无线通信。热安全性测试显示，在默认工作条件（3.3V输入电压）下，植入体温度在体外从25℃稳定在32℃，体内温度变化不超过1℃。μLED在2.1mA恒定电流下，温度从36℃仅升高至37℃，表明具有良好的热安全性。

光学特性与空间分辨率

光学仿真显示，当单个μLED以2.5mW光学功率照射时，正对μLED的神经扇区平均辐照度达21.9mW/mm²，而仅300μm距离外的扇区仅接收2.5mW/mm²辐照度。这种辐照度梯度使得正对扇区的神经束产生的肌力比远处扇区高90%，空间分辨率约为300μm。同时照射两个相邻μLED（各2.0mW）可解决盲区问题，确保神经所有区域都能被激活。

生物相容性验证

植入12周后的生物相容性评估显示，PDMS封装保持完整，臂丛神经纹理和连续性未受影响。免疫荧光显示植入部位髓鞘正常有序分布，周围仅见少量炎症细胞。运动分析和步态分析表明，植入FIMOSS后小鼠的关节活动范围、步幅长度、支撑面积、站立时间和摆动时间均未受显著影响。

功能验证与应用

在Thy1-ChR2-EYFP小鼠中，FIMOSS成功诱导了前肢特异性运动：刺激上干可诱导肘屈曲和腕伸展；刺激中干主要诱导肘伸展和腕伸展；刺激下干可诱导肘伸展、腕屈曲和手指外展。等长肌张力生理实验表明，系统可诱导不同前肢肌群的单收缩和强直收缩，在40Hz以上刺激频率时归一化稳态力开始下降。

在CC7移位模型中的应用

研究人员将FIMOSS应用于创伤性脑损伤后CC7移位模型，连续12周监测臂丛神经功能重组过程。发现移位C7神经（中干）在术后4-12周期间对肱二头肌、前臂伸肌和屈肌的CMAP面积逐渐增加，12周时显著改善。有趣的是，C7神经对肱三头肌的再支配相对较弱，而上干和下干对肱三头肌的支配在术后8-12周持续增强。同时，上干和下干对前臂伸肌和屈肌的支配比例也在增加，表明臂丛神经发生了功能重组。

行为学实验进一步证实，移位C7神经在术后4周即可诱导肘部运动，4周后出现腕部运动，8-12周后出现手腕屈曲等非典型运动。与此同时，上干和下干控制的运动功能也逐渐恢复，特别是术后8-12周期间。

研究结论表明，FIMOSS能够实现周围神经丛的长期电生理学和诱导行为学功能评估，具有亚神经分辨率优势。该系统成功揭示了CC7移位后臂丛神经的功能重组模式：移位C7神经主要参与手腕和手部肌肉的再支配，而上干和下干则补偿了对肱三头肌和前臂肌肉的支配。这种神经调控技术为周围神经损伤后的个性化诊断和治疗提供了新的实验工具，未来通过材料优化和自由运动动物实验平台的整合，有望进一步推动其在临床中的应用。

该研究的重要意义在于首次实现了对小型动物周围神经丛的长期、亚神经分辨率的光遗传学调控和功能评估，为理解神经损伤后功能恢复机制提供了强有力的技术手段。系统揭示的CC7移位后臂丛神经功能重组规律，为优化临床神经移位策略提供了重要实验依据。