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在神经工程应用中，从人类大小的外周神经电记录非髓鞘纤维活动意义重大，但尚未得到充分验证。研究人员通过模拟记录人迷走神经，对比多种电极。结果显示 TIME 电极有望记录非髓鞘纤维活动，该研究为神经工程应用提供理论依据。
在神经科学的神秘世界里，外周神经就像一条条复杂的 “信息高速公路”，承载着各种重要的信号。其中，非髓鞘纤维虽然纤细，却在许多自主和躯体功能中发挥着关键作用，它们的活动与免疫、代谢、心血管以及呼吸等系统紧密相连，还与躯体神经中的痛觉、热觉和情感触觉等感觉相关。然而，想要精确捕捉这些微小纤维的 “声音” 并非易事。尽管从人类大小的外周神经电记录非髓鞘纤维活动在神经工程应用方面潜力巨大，可目前仅有通过微神经图（μNG）针在急性环境下实现记录的案例，对于当前的植入式电极能否达成同样效果，科学界尚无定论。这就如同在黑暗中摸索，我们知道前方有宝藏，但却找不到开启宝藏的钥匙。
为了攻克这一难题，来自意大利圣安娜高等学校（Scuola Superiore Sant’Anna）的 Biorobotics Institute 和卓越机器人与人工智能系（Department of Excellence in Robotics and AI），以及意大利圣拉斐尔生命健康大学（Universita` Vita-Salute San Raffaele）和圣安娜高等学校的模块化植入式神经假体（Modular Implantable Neuroprostheses，MINE）实验室，还有瑞士洛桑联邦理工学院（Ecole Polytechnique Federale de Lausanne）神经 X 研究所（Neuro-X Institute）的研究人员 Claudio Verardo、Simone Romeni 和 Silvestro Micera 展开了深入研究 。他们的研究成果发表在《iScience》杂志上，为这个神秘的领域带来了新的曙光。
研究人员采用计算建模的方法，通过构建混合模型来模拟从人类迷走神经的记录过程，对比研究了横断束内多通道电极（TIME）、微神经图（μNG）针和商用袖带电极在不同插入配置下，从非髓鞘和髓鞘纤维获取记录信号的能力。
建模工作流程和外周记录案例研究
研究人员以人类颈迷走神经为模型，构建了直径 2mm、包含单一 400μm 直径束的神经模型。通过有限元建模（FEM）计算导联场矩阵（LFM），结合多房室轴突模型模拟神经纤维的电活动，进而生成单单位动作电位（SUAP）和多单位信号（MUAP）。在模拟过程中，针对不同类型的纤维（大髓鞘纤维、小髓鞘纤维和非髓鞘纤维）和电极插入方式（束内插入、束外插入和神经外放置）进行了多种组合分析123。
SUAP 振幅对电极 - 纤维相对位置的复杂依赖
研究发现，髓鞘纤维的 SUAP 振幅会随着记录电极沿纤维移动或与纤维距离的增加而变化，存在近场区域和远场区域。在近场区域，SUAP 振幅在 Ranvier 节点处达到最大值，在节点间的中间位置最小；而在远场区域，这种纵向调制消失。对于非髓鞘纤维，SUAP 振幅仅取决于纤维与电极的距离，且与袖带电极相比，束内电极的空间衰减更陡峭456。
近场束内 SUAPs：非髓鞘与髓鞘纤维振幅相似
当电极靠近目标纤维（近场区域）时，研究人员对比了不同纤维类型的 SUAP 振幅。结果显示，对于束内插入（距离纤维 2μm），非髓鞘纤维的 SUAP 振幅与髓鞘纤维相当，甚至更大。进一步研究更多纤维类型发现，存在一个非髓鞘和髓鞘纤维 SUAP 振幅重叠的窗口，该窗口涉及直径大于 0.5μm 的非髓鞘纤维，且范围可达数十 μV789。
远场束内 SUAPs：髓鞘纤维振幅大于非髓鞘纤维
当电极远离纤维（远场区域）时，研究发现束内电极记录的 SUAPs 纵向依赖性减弱。此时，非髓鞘和髓鞘纤维的振幅仍具有可比性，但 1μm 和 1.5μm 的非髓鞘纤维的 SUAP 峰峰值小于 4μm 和 8μm 的髓鞘纤维。在这种情况下，重叠窗口变窄，主要存在于大的（>1.5μm）非髓鞘纤维和小的（<6μm）髓鞘纤维之间101112。
束内植入是有效转导非髓鞘纤维的关键
通过对不同纤维与电极距离下 SUAP 峰峰值分布的精细分析，研究人员发现，对于束内插入，髓鞘和非髓鞘纤维在数十微米的电极 - 纤维距离内，SUAP 振幅均大于 10μV。而束外插入时，只有大髓鞘纤维在电极靠近束边界时才能获得如此强度的信号，非髓鞘纤维的 SUAP 峰峰值则被限制在几 μV 以下1314。
袖带电极：仅对复合动作电位呈现大记录振幅
袖带电极记录的振幅受纤维位置影响较小，但不同纤维类型之间的振幅差异明显。非髓鞘和髓鞘纤维的振幅分离程度较大，袖带电极转导的 SUAP 振幅较小，只有当多个纤维准同步激活产生复合动作电位时，信号振幅才可能超过噪声水平151617。
电极封装：可能导致近场区域消失
在慢性植入过程中，电极与神经组织之间会生长封装组织。研究表明，TIME 电极周围的封装组织会降低 SUAP 振幅，增加不同纤维类型 SUAPs 之间的振幅分离，并缩小重叠窗口。袖带电极与神经之间的封装组织也会降低 SUAP 振幅，且这种降低与封装组织厚度相关1819。
研究表明，当电极位于束内且靠近目标纤维时，非髓鞘纤维的 SUAP 振幅与髓鞘纤维相似甚至更高，这意味着 TIME 电极在类似条件下（如相对电极 - 纤维位置）具有与 μNG 针相似的转导能力。然而，束外插入或使用袖带电极时，记录非髓鞘纤维活动存在一定挑战。此外，电极封装组织会影响记录效果。
这项研究为理解外周神经记录提供了重要的理论依据，为神经工程应用中选择合适的电极和优化记录方案提供了指导。同时，也为未来的实验研究指明了方向，如改进手术程序以确保电极准确插入束内，开展慢性研究以记录未受干扰的自主神经活动等。
在技术方法方面，研究人员主要运用了计算建模技术，通过构建神经和电极模型，模拟神经纤维的电活动以及电极记录过程。具体包括采用有限元方法（FEM）计算导联场矩阵（LFM），利用多房室轴突模型（如 MRG 模型和 Sundt 模型）模拟纤维的电活动，以及通过 MATLAB 生成单单位动作电位（SUAP）和多单位信号（MUAP）等 。
综上所述，该研究成果为外周神经记录领域带来了新的突破，让我们在探索神经奥秘的道路上又迈出了坚实的一步，为未来的神经工程应用和生物电子疗法等提供了重要的理论支持和实践指导。
