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一項(xiàng)由帝國(guó)理工學(xué)院與圣盧西亞基金會(huì)以及羅馬的卡西利諾醫(yī)院合作進(jìn)行的研究，借助可穿戴手環(huán)設(shè)備，為監(jiān)測(cè)嬰兒的運(yùn)動(dòng)提供了一種新方法；也對(duì)嬰兒反射（比如踢腿）活動(dòng)如何發(fā)展等問題，提供了新的認(rèn)識(shí)。此外，這些觀點(diǎn)與手環(huán)設(shè)備也可用于發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)障礙的早期跡象，比如腦癱。研究結(jié)果發(fā)表在《Science Advances》期刊上。

當(dāng)嬰兒還只是子宮內(nèi)胎兒時(shí)，就開始出現(xiàn)踢腿活動(dòng)，而直到4個(gè)月大時(shí)，嬰兒才會(huì)本能地踢腿。踢腿就像在成人身上所發(fā)現(xiàn)的保護(hù)性反射一樣，比如使手迅速遠(yuǎn)離熱源。但是，神經(jīng)元層面的動(dòng)作是如何產(chǎn)生的，人們對(duì)此了解甚少，這是因?yàn)橐郧安蛔鍪中g(shù)就無(wú)法對(duì)單個(gè)神經(jīng)細(xì)胞進(jìn)行詳細(xì)分析。

現(xiàn)在，帝國(guó)理工學(xué)院和圣盧西亞基金會(huì)的研究人員已經(jīng)研發(fā)出一種非侵入性手環(huán)設(shè)備，使其可以佩戴在自由踢動(dòng)的嬰兒腿上，從而在無(wú)需手術(shù)的情況下，監(jiān)測(cè)神經(jīng)元活動(dòng)。該系統(tǒng)可以對(duì)體表的電場(chǎng)電位進(jìn)行解碼，并以數(shù)學(xué)方式逆轉(zhuǎn)其產(chǎn)生過程，從而識(shí)別脊髓的神經(jīng)活動(dòng)。

研究人員通過這種可穿戴手環(huán)設(shè)備發(fā)現(xiàn)，與成人的快速腿部運(yùn)動(dòng)不同，脊髓中的神經(jīng)元在完全相同的時(shí)間內(nèi)集中活動(dòng)，從而產(chǎn)生了嬰兒的踢腿動(dòng)作。研究人員說，這種“完全一致的同步”增加了附著在神經(jīng)上的肌肉所產(chǎn)生的力量，這也解釋了為什么嬰兒踢腿相對(duì)有力且快速，即使他們的肌肉還很弱小和緩慢。

新生兒自發(fā)運(yùn)動(dòng)：從深度學(xué)習(xí)所提取的運(yùn)動(dòng)學(xué)到通過神經(jīng)接口所提取的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元脈沖時(shí)間。頂部面板顯示了一個(gè)處于自發(fā)運(yùn)動(dòng)及相關(guān)標(biāo)記中，佩戴了可穿戴神經(jīng)接口（128 EMG 電極）的新生兒。中間面板顯示了腳的運(yùn)動(dòng)學(xué)以及同步的EMG振幅。底部面板顯示了神經(jīng)接口所識(shí)別的單個(gè)運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的脈沖時(shí)間。人們發(fā)現(xiàn)，在新生兒快速運(yùn)動(dòng)過程中，運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元高度同步。視頻來源：德爾維奇奧（Del Vecchio）等人, Sci. Adv. 2020; 6: eabc3916

該研究的第一作者是帝國(guó)理工學(xué)院生物工程系的達(dá)里奧·法琳娜（Dario Farina）教授，他說道：“這是關(guān)于胎兒和嬰兒如何發(fā)育的一個(gè)基礎(chǔ)性發(fā)現(xiàn)。這一發(fā)現(xiàn)以及幫助我們得到這一發(fā)現(xiàn)的新技術(shù)，可以幫助人們監(jiān)測(cè)嬰兒的發(fā)育情況，并在早期發(fā)現(xiàn)腦癱等運(yùn)動(dòng)障礙的跡象。”

羅馬大學(xué)托爾·維加塔（Tor Vergata）教授以及圣盧西亞基金會(huì)的弗朗西斯科·拉奎尼蒂（Francesco Lacquaniti）教授為該研究的共同作者，他們補(bǔ)充說道：“這款新的監(jiān)測(cè)手環(huán)設(shè)備是一項(xiàng)令人激動(dòng)的技術(shù)成果，它可以幫助我們監(jiān)測(cè)嬰兒是否存在運(yùn)動(dòng)障礙的跡象，以便我們能夠盡早進(jìn)行診斷和治療?！?/span>

可穿戴手環(huán)設(shè)備能夠佩戴在小腿上，該設(shè)備包含一個(gè)神經(jīng)肌肉接口，可記錄皮膚上的電信號(hào)。然后，它對(duì)這些信號(hào)及其時(shí)間進(jìn)行解碼，從而計(jì)算出哪些脊髓神經(jīng)元在集中活動(dòng)，以及其集中活動(dòng)的速度如何。

他們以4名2-14天大的自由踢腿的健康嬰兒，以及12名做各種動(dòng)作的成年男子為研究對(duì)象，對(duì)這一可穿戴手環(huán)設(shè)備進(jìn)行了測(cè)試。他們發(fā)現(xiàn)，在嬰兒身上，所有神經(jīng)元都會(huì)聚集在一起，進(jìn)行集中活動(dòng)，從而產(chǎn)生踢腿的動(dòng)作，但成年個(gè)體的同步性明顯降低。

法琳娜教授說道：“對(duì)人類的生存和健康來說，產(chǎn)生快速運(yùn)動(dòng)至關(guān)重要。嬰兒在出生后幾天就已經(jīng)可以踢得非?？欤F(xiàn)在我們知道，他們是利用所有的脊柱神經(jīng)同時(shí)進(jìn)行這一項(xiàng)踢腿活動(dòng)?！?/span>

人們認(rèn)為嬰兒踢腿可以加強(qiáng)腿部肌肉，并為嬰兒翻身并最終學(xué)會(huì)走路做準(zhǔn)備。但是，研究人員表示，這些發(fā)現(xiàn)可能暗示了另一種生存優(yōu)勢(shì)。

該研究的第一作者德爾維奇奧博士（來自法琳娜教授研究小組）說道：“踢腿的力量和速度，以及神經(jīng)活動(dòng)的同步性，可能表明踢腿對(duì)嬰兒有更直接的保護(hù)優(yōu)勢(shì)。也許嬰兒通過進(jìn)化發(fā)展出如此強(qiáng)烈的踢腿，是為了避免潛在的危險(xiǎn)，比如捕食者?！?/span>

研究人員現(xiàn)在正在研究監(jiān)測(cè)患有腦癱等運(yùn)動(dòng)障礙的嬰兒的脊髓神經(jīng)元。他們希望他們的研究能夠幫助開發(fā)新的臨床標(biāo)識(shí)物，可用于這些類型疾病的早期診斷。

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