近50年来，一种名为七鳃鳗的无颌鱼因其从脊髓损伤中恢复的非凡能力而引起了科学家的兴趣。一项新的研究揭示了七鳃鳗可能用来再次游泳的技术，尽管神经再生稀疏。

巴克内尔大学的克里斯蒂娜·哈姆雷特(Christina Hamlet)和包括海洋生物实验室(MBL)的詹妮弗·R·摩根(Jennifer R. Morgan)在内的合作者使用数学模型来演示七鳃鳗如何在脊髓损伤后利用身体感应反馈来恢复游泳能力。这项研究可以激发人类的新治疗方法或软机器人运动算法。该论文发表在《美国国家科学院院刊》上。

“这篇论文的要点是，即使没有穿过[脊柱]病变的下降命令，你也可以增强感觉反馈并恢复运动，”MBL高级科学家兼MBL尤金贝尔再生生物学和组织工程中心主任Morgan说。

与人类和其他哺乳动物不同，七鳃鳗即使在脊髓高处出现严重病变后也能迅速且几乎完全恢复。摩根此前发现，虽然神经再生确实有助于七鳃鳗的恢复，但它并不能说明全部情况。只有一小部分神经元和神经元连接在脊柱损伤中恢复，因此它们必须使用另一种机制。

“我有所有这些关于如何可能工作的问题。你怎么能得到一个有几小稀疏连接的正常神经系统呢?”摩根问道。

科学家们假设七鳃鳗除了在脊髓中下降神经连接外，还可能使用身体感应反馈(称为本体感觉或动觉)来指导它们的运动。摩根曾与她在MBL的一位老朋友，塔夫茨大学生物学副教授、前MBL惠特曼中心研究员埃里克·泰特尔(Eric Tytell)讨论这个问题。Eric已经与杜兰大学数学教授Lisa Fauci和杜兰大学共同指导博士后Christina Hamlet合作。

Tytell，Fauci和Hamlet正在使用数学模型来模仿七鳃鳗的运动。他们联手“看看我们是否可以模拟感官反馈对七鳃鳗游泳行为的一些影响，”哈姆雷特说，他目前是巴克内尔大学数学助理教授。

该团队开始研究脊髓损伤七鳃鳗的不同场景 - 包括生物学上合理的和不可信的 - 所有这些都假设脊髓病变没有神经再生。这就是建模的效用，哈姆雷特说，“我们可以打破你在生物学中无法打破的东西。该模型考虑了病变上方身体产生的曲线和拉伸，并通过肌肉而不是脊髓将这些信息发送到身体的其他部位。

即使有适量的感觉反馈，这些模型在生物学上合理的模型中也显示出令人惊讶的游泳模式恢复。更强的感官反馈带来了更大的改善。

由于七鳃鳗在病变后确实会重新生长出一些神经元，因此具有来自大脑的下降命令来驱动运动，因此它们可能需要比模型更少的感觉反馈。该团队希望将神经元再生添加到模型中，并测试它如何影响运动并与感觉反馈相互作用。

“如果你有一个好的计算模型，你可以经历比实验实际更多的操作场景，”摩根说。

研究小组希望这项研究和未来的研究将有助于治疗患有脊髓损伤和影响运动的疾病的人类。大脑机器接口和刺激器设备开始结合身体感应反馈，以在受伤后创造更流畅的运动，这项研究可以告知人类需要的反馈的数量和类型。

“无论你是像七鳃鳗这样自发恢复的动物，还是需要给予药物或电刺激装置的人，达到在正确的位置有一些东西然后重复使用已经存在的东西应该比试图概括突触连接和生长的相同原始模式更容易实现，“摩根说。