Closed-loop optogenetic neuromodulation enables high-fidelity fatigue-resistant muscle control

光遗传学 神经调节 功能性电刺激 神经科学 肌肉疲劳 计算机科学 调制(音乐) 刺激 机制(生物学) 肌电图 生物 物理 声学 量子力学
作者
Guillermo Herrera-Arcos,Hyungeun Song,Seong Ho Yeon,Omkar Ghenand,Samantha Gutierrez-Arango,Sapna Sinha,Hugh Herr
出处
期刊:Science robotics [American Association for the Advancement of Science (AAAS)]
卷期号:9 (90): eadi8995-eadi8995 被引量:14
标识
DOI:10.1126/scirobotics.adi8995
摘要

Closed-loop neuroprostheses show promise in restoring motion in individuals with neurological conditions. However, conventional activation strategies based on functional electrical stimulation (FES) fail to accurately modulate muscle force and exhibit rapid fatigue because of their unphysiological recruitment mechanism. Here, we present a closed-loop control framework that leverages physiological force modulation under functional optogenetic stimulation (FOS) to enable high-fidelity muscle control for extended periods of time (>60 minutes) in vivo. We first uncovered the force modulation characteristic of FOS, showing more physiological recruitment and significantly higher modulation ranges (>320%) compared with FES. Second, we developed a neuromuscular model that accurately describes the highly nonlinear dynamics of optogenetically stimulated muscle. Third, on the basis of the optogenetic model, we demonstrated real-time control of muscle force with improved performance and fatigue resistance compared with FES. This work lays the foundation for fatigue-resistant neuroprostheses and optogenetically controlled biohybrid robots with high-fidelity force modulation.
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