想象一下，未来的假肢不仅能由大脑随意操控，还能让人真实地感觉到脚下的土地和手抓物品的力度；或者，当某个器官功能衰竭时，无需移植一个完全外来的器官，而是用一个“活的”、能与身体完美融合的“生物机器”来辅助其工作。这听上去像是科幻小说里的情节，但今天的科学研究正在一步步将它变为现实。然而，要制造出这样的“生物混合”设备，一个核心的挑战是找到一种理想的“发动机”——它必须能被人体接纳（生物相容），能自己维持生命力（自我维持），可以被精确控制，而且能长期稳定工作，不会像普通肌肉那样容易疲劳。现有的合成材料致动器要么太重、难以微型化，要么不兼容人体；而工程化的组织肌肉又面临制造复杂、难以规模化等难题。于是，一个关键问题摆在了科学家面前：能否巧妙地改造我们身体里现成的、性能卓越的“原装”肌肉，让它既保留天然优势，又能克服疲劳短板，成为生物混合设备的完美动力源？
为了回答这个问题，来自麻省理工学院等机构的研究团队在《Nature Communications》上发表了一项开创性研究。他们独辟蹊径，没有从零开始“制造”肌肉，而是对生物体自有的骨骼肌进行了一次精密的“神经改造手术”。他们的目标是创造一种新型的“肌神经致动器”（Myoneural Actuator, MNA）。具体来说，他们切断了目标肌肉（如大鼠的腓肠肌）原有的运动神经控制，然后巧妙地将其与一根感觉神经（如腓肠神经）连接起来。这种“感觉神经再支配”策略听起来有违常理——感觉神经本应负责传递触觉、痛觉等信号，怎么能指挥肌肉运动呢？但研究团队发现，在再生过程中，感觉神经轴突表现出了惊人的可塑性，能够与肌肉纤维形成功能性的、释放乙酰胆碱的神经肌肉接头。这意味着，通过电刺激这根感觉神经，就能像刺激运动神经一样精确控制肌肉收缩，从而成功地将肌肉的控制权从中枢神经系统“移交”给了外部计算机。更重要的是，与直径不均的运动神经不同，感觉神经的轴突尺寸分布更为均匀。在电刺激时，这种均匀性能让更多的肌纤维被同步、公平地动员起来，避免了天然肌肉在电刺激下因大直径轴突优先激活而导致的快速疲劳。研究证实，经过这种“改造”的MNA，其抗疲劳能力比未经处理的天然肌肉增强了260%，并且能在闭环控制下长时间保持精准的力度输出，同时还实现了与中枢神经系统的可逆性隔离，防止操作时产生不必要的神经信号反馈。为了展示MNA技术的巨大潜力，研究人员还构建了两个概念验证系统：一个是用于调节截肢后残余肢体神经传入信号的“本体感觉肌神经接口”（PMI），未来可为仿生假肢提供真实的力反馈；另一个是包裹在小肠外的生物混合器官系统，可以模拟肠道蠕动，为治疗肠道动力障碍等疾病提供了全新思路。这项研究不仅发明了一种高性能的生物集成致动器，更揭示了感觉神经形成胆碱能突触这一先前未知的再生生物学现象，为再生医学和神经工程领域开辟了新的道路。
本研究采用了几项关键的技术方法来实现上述目标。首先，研究者在大鼠模型中建立了MNA手术模型，以外侧腓肠肌（LG）为基础，通过离断其原生运动神经（胫神经，TN）并进行腓肠感觉神经（SN）的肌肉内植入（神经化）来实现神经重支配。其次，研究采用了组织学分析（如H&E染色、针对神经丝蛋白、囊泡乙酰胆碱转运体、突触素等的免疫荧光染色）来验证神经再生、神经肌肉接头形成及肌肉纤维类型。再次，通过功能测试评估MNA的性能，使用定制实验装置测量其最大等长收缩力、质量，并进行序贯单收缩刺激和连续强直刺激来量化其抗疲劳性。此外，研究还实施了闭环力控制实验，通过比例积分控制器根据目标力值实时调节神经电刺激参数。最后，利用可逆性电神经阻滞技术，在MNA近端施加阻滞，以在操作期间将其与中枢神经系统进行神经隔离，并验证了其有效性。样本来源于总计n=30只雌性Lewis大鼠，建立了不同的MNA队列用于长期可持续性（9、12、15周）和功能评估。
研究结果
肌神经致动器（MNA）
研究人员设计并构建了MNA，以外侧腓肠肌为基础，通过离断其运动神经并用感觉神经（腓肠神经）进行再支配，从而将肌肉的意志控制权从中枢神经系统移除，转而交由计算机通过神经电刺激控制。组织学分析证实，再支配的感觉神经轴突能与肌肉纤维形成胆碱能的神经肌肉接头，且MNA的肌肉纤维保持健康，无明显纤维类型转化。
MNA在不借助外部干预下的可持续性
评估了MNA在术后9、12、15周的长期可持续性。结果表明，在此期间，MNA的质量和最大等长收缩力保持稳定，没有因失神经而产生进一步的萎缩。虽然再支配过程导致了绝对质量的损失（约50%），但其单位质量产生的力与天然肌肉相当，表明MNA具备自我维持的能力。
耐疲劳的MNA致动
通过对比MNA与天然肌肉在序贯单收缩刺激和连续强直刺激下的疲劳反应，发现MNA表现出显著增强的抗疲劳性。在序贯刺激中，MNA的收缩力损失率更低，输出更稳定；在连续刺激中，MNA达到疲劳的时间比天然肌肉延长了260%。进一步分析表明，MNA的疲劳动力学与天然肌肉的指数型衰减不同，呈现额外的对数型衰减特征，使其能更有效地维持高力度输出。
MNA扩展的闭环控制
在闭环力控制架构下，MNA在不同目标力度水平下均能长时间保持精准的力追踪能力，而天然肌肉则因快速疲劳迅速丧失可控性。这证明了MNA的抗疲劳特性从根本上提升了肌肉致动系统在闭环控制下的性能极限。
具有可逆中枢神经系统神经隔离的MNA调控
通过在刺激点近端施加可逆性电神经阻滞，成功地将MNA在操作期间与中枢神经系统进行神经隔离，防止了刺激信号向中枢的上行传导可能引发的意外感觉或疼痛。实验证明，在神经阻滞激活的状态下，MNA仍能通过闭环控制实现不同目标力度的精确调制。
用于仿生肢体神经反馈的生物混合神经假体接口
研究人员提出并演示了“本体感觉肌神经接口”（PMI）的概念。该接口将一个MNA与一个残余肌肉末端器官串联，通过MNA的收缩来主动牵拉末端器官，从而调制其内部机械感受器产生的神经传入信号。在大鼠模型中，PMI成功演示了通过调节MNA输出水平，能够按比例地增加末端器官的应变和所调制的神经传入活动，为未来仿生假肢提供真实的力与位置感觉反馈奠定了基础。
用于机械调制的生物混合器官系统
研究还展示了MNA作为器官功能机械模拟器的潜力。通过将MNA包裹在大鼠小肠外部，并使其收缩，可以模拟肠道对内容物的挤压运动。光学流分析显示，MNA的收缩运动与小肠的运动高度同步，验证了利用MNA技术调制器官机械功能的可能性。
研究结论与讨论
本研究成功开发了一种基于工程化生物物理特性的肌神经致动器（MNA）。其核心机制在于通过感觉神经再支配这一再生性外科技术，改造了骨骼肌的神经支配模式。关键发现包括：感觉轴突能够与骨骼肌纤维形成功能性的胆碱能神经肌肉接头；由于感觉神经具有比运动神经更均匀的轴突尺寸分布，MNA在功能性电刺激下能实现更均衡的肌纤维募集，从而表现出卓越的抗疲劳性能（提升260%）和独特的疲劳动力学。此外，结合闭环控制和可逆神经隔离技术，MNA能够实现长时间精确、受控的致动，同时避免对中枢神经系统产生干扰。
这项研究的意义重大。首先，MNA技术弥合了可植入生物混合系统在致动器方面的关键空白，提供了一种生物相容、可自我维持、可扩展且耐疲劳的“活体”动力解决方案。其次，研究揭示了感觉神经系统在再生中形成运动性胆碱能突触的惊人可塑性，这一基础生物学发现对神经再生领域具有深远影响。从应用角度看，研究者展示的PMI为下一代神经假肢提供了同时实现运动控制和真实感觉反馈的双向接口新范式；而生物混合器官系统则展示了利用MNA修复或辅助衰竭器官（如肠道、膀胱、心脏）机械功能的潜力。由于MNA基于成熟的外科神经修复技术和临床已用的神经电极与刺激器，其向临床转化的路径较为清晰。总之，这项研究通过巧妙的“改造生物学”而非“替换生物学”的策略，将原生组织的卓越特性与工程化控制相结合，为未来生物集成式医疗器械和治疗方案开辟了充满希望的新疆域。
