Separation of Neural Drives to Muscles from Transferred Polyfunctional Nerves using Implanted Micro-electrode Arrays

要約

四肢の切断後、四肢の機能に関する神経信号が残存する末梢神経に残ります。
標的筋再神経支配 (TMR) により、これらの信号を予備の筋肉にリダイレクトし、筋電図検査 (EMG) を通じて神経情報を回復することができます。
しかし、伝達された神経から筋肉にリダイレクトされる個別の神経指令を分離する際に、重大な課題が生じます。
EMG 記録からの重複する信号を解きほぐすことは、手足の機能の解釈を複雑にする混合神経情報を含む可能性があるため、依然として複雑です。
この課題に対処するために、再生末梢神経インターフェース (RPNI) は、外科的に神経を特定の筋肉移植片に再神経支配する個々の束に分割し、異なる神経源を分離して EMG 信号のより正確な制御と解釈を実現します。
我々は、多価神経のTMR手術と再神経支配された筋肉内の単一部位に埋め込まれた高密度微小電極アレイを組み合わせた新しいバイオインターフェースを紹介する。
外科的に個別の神経束を識別する代わりに、私たちのアプローチは、微小電極アレイの高い時空間選択性と数学的信号源分離法を使用して、単一の筋肉にリダイレクトされるすべての神経信号を分離します。
ボランティアが幻肢課題を実行している間、神経支配が再確立された 4 つの筋肉からの EMG 信号を記録しました。
これらの信号を運動単位活動に分解すると、さまざまな機能的タスクに関連する運動ニューロンの異なるクラスターが明らかになりました。
特に、私たちの方法は、単一の再神経支配された筋肉内で複数の神経指令を抽出することを可能にし、外科的な神経分割の必要性を排除しました。
このアプローチは、プロテーゼの制御を強化する可能性があるだけでなく、TMR後の運動ニューロンの相乗作用のメカニズムを明らかにし、再神経支配後に中枢神経系がどのように運動をコード化するかについて貴重な洞察を提供します。

要約(オリジナル)

Following limb amputation, neural signals for limb functions persist in the residual peripheral nerves. Targeted muscle reinnervation (TMR) allows to redirected these signals into spare muscles to recover the neural information through electromyography (EMG). However, a significant challenge arises in separating distinct neural commands redirected from the transferred nerves to the muscles. Disentangling overlapping signals from EMG recordings remains complex, as they can contain mixed neural information that complicates limb function interpretation. To address this challenge, Regenerative Peripheral Nerve Interfaces (RPNIs) surgically partition the nerve into individual fascicles that reinnervate specific muscle grafts, isolating distinct neural sources for more precise control and interpretation of EMG signals. We introduce a novel biointerface that combines TMR surgery of polyvalent nerves with a high-density micro-electrode array implanted at a single site within a reinnervated muscle. Instead of surgically identifying distinct nerve fascicles, our approach separates all neural signals that are re-directed into a single muscle, using the high spatio-temporal selectivity of the micro-electrode array and mathematical source separation methods. We recorded EMG signals from four reinnervated muscles while volunteers performed phantom limb tasks. The decomposition of these signals into motor unit activity revealed distinct clusters of motor neurons associated with diverse functional tasks. Notably, our method enabled the extraction of multiple neural commands within a single reinnervated muscle, eliminating the need for surgical nerve division. This approach not only has the potential of enhancing prosthesis control but also uncovers mechanisms of motor neuron synergies following TMR, providing valuable insights into how the central nervous system encodes movement after reinnervation.

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