Science子刊：小小婴儿为何可以快速踢腿？新技术发现一种重要的“神经同步”调控机制
一项由帝国理工学院与圣卢西亚基金会以及罗马的卡西利诺医院合作进行的研究，借助可穿戴手环设备，为监测婴儿的运动提供了一种新方法；也对婴儿反射（比如踢腿）活动如何发展等问题，提供了新的认识。此外，这些观点与手环设备也可用于发现运动障碍的早期迹象，比如脑瘫。研究结果发表在《Science Advances》期刊上。
当婴儿还只是子宫内胎儿时，就开始出现踢腿活动，而直到4个月大时，婴儿才会本能地踢腿。踢腿就像在成人身上所发现的保护性反射一样，比如使手迅速远离热源。但是，神经元层面的动作是如何产生的，人们对此了解甚少，这是因为以前不做手术就无法对单个神经细胞进行详细分析。
现在，帝国理工学院和圣卢西亚基金会的研究人员已经研发出一种非侵入性手环设备，使其可以佩戴在自由踢动的婴儿腿上，从而在无需手术的情况下，监测神经元活动。该系统可以对体表的电场电位进行解码，并以数学方式逆转其产生过程，从而识别脊髓的神经活动。
研究人员通过这种可穿戴手环设备发现，与成人的快速腿部运动不同，脊髓中的神经元在完全相同的时间内集中活动，从而产生了婴儿的踢腿动作。研究人员说，这种“完全一致的同步”增加了附着在神经上的肌肉所产生的力量，这也解释了为什么婴儿踢腿相对有力且快速，即使他们的肌肉还很弱小和缓慢。
新生儿自发运动：从深度学习所提取的运动学到通过神经接口所提取的运动神经元脉冲时间。顶部面板显示了一个处于自发运动及相关标记中，佩戴了可穿戴神经接口（128 EMG 电极）的新生儿。中间面板显示了脚的运动学以及同步的EMG振幅。底部面板显示了神经接口所识别的单个运动神经元的脉冲时间。人们发现，在新生儿快速运动过程中，运动神经元高度同步。视频来源：德尔维奇奥（Del Vecchio）等人, Sci. Adv. 2020; 6: eabc3916
该研究的第一作者是帝国理工学院生物工程系的达里奥·法琳娜（Dario Farina）教授，他说道：“这是关于胎儿和婴儿如何发育的一个基础性发现。这一发现以及帮助我们得到这一发现的新技术，可以帮助人们监测婴儿的发育情况，并在早期发现脑瘫等运动障碍的迹象。”
罗马大学托尔·维加塔（Tor Vergata）教授以及圣卢西亚基金会的弗朗西斯科·拉奎尼蒂（Francesco Lacquaniti）教授为该研究的共同作者，他们补充说道：“这款新的监测手环设备是一项令人激动的技术成果，它可以帮助我们监测婴儿是否存在运动障碍的迹象，以便我们能够尽早进行诊断和治疗。”
基础性发现
可穿戴手环设备能够佩戴在小腿上，该设备包含一个神经肌肉接口，可记录皮肤上的电信号。然后，它对这些信号及其时间进行解码，从而计算出哪些脊髓神经元在集中活动，以及其集中活动的速度如何。
他们以4名2-14天大的自由踢腿的健康婴儿，以及12名做各种动作的成年男子为研究对象，对这一可穿戴手环设备进行了测试。他们发现，在婴儿身上，所有神经元都会聚集在一起，进行集中活动，从而产生踢腿的动作，但成年个体的同步性明显降低。
法琳娜教授说道：“对人类的生存和健康来说，产生快速运动至关重要。婴儿在出生后几天就已经可以踢得非常快，现在我们知道，他们是利用所有的脊柱神经同时进行这一项踢腿活动。”
进化优势？
人们认为婴儿踢腿可以加强腿部肌肉，并为婴儿翻身并最终学会走路做准备。但是，研究人员表示，这些发现可能暗示了另一种生存优势。
该研究的第一作者德尔维奇奥博士（来自法琳娜教授研究小组）说道：“踢腿的力量和速度，以及神经活动的同步性，可能表明踢腿对婴儿有更直接的保护优势。也许婴儿通过进化发展出如此强烈的踢腿，是为了避免潜在的危险，比如捕食者。”
研究人员现在正在研究监测患有脑瘫等运动障碍的婴儿的脊髓神经元。他们希望他们的研究能够帮助开发新的临床标识物，可用于这些类型疾病的早期诊断。
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作者信息
编译作者：里尔（brainnews创作团队）
校审：Simon（brainnews编辑部）
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