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Closed-loop functional optogenetic stimulation

DOI:10.1038/s41467-018-07721-w 期刊:Nature Communications 出版年份:2018 更新时间:2025-09-23 15:23:52
摘要: Optogenetics has been used to orchestrate temporal- and tissue-specific control of neural tissues and offers a wealth of unique advantages for neuromuscular control. Here, we establish a closed-loop functional optogenetic stimulation (CL-FOS) system to control ankle joint position in murine models. Using the measurement of either joint angle or fascicle length as a feedback signal, we compare the controllability of CL-FOS to closed-loop functional electrical stimulation (CL-FES) and demonstrate significantly greater accuracy, lower rise times and lower overshoot percentages. We demonstrate orderly recruitment of motor units and reduced fatigue when performing cyclical movements with CL-FOS compared with CL-FES. We develop and investigate a 3-phase, photo-kinetic model to elucidate the underlying mechanisms for temporal variations in optogenetically activated neuromusculature during closed-loop control experiments. Methods and insights from this study lay the groundwork for the development of closed-loop optogenetic neuromuscular stimulation therapies and devices for peripheral limb control.
作者: Shriya S. Srinivasan,Benjamin E. Maimon,Maurizio Diaz,Hyungeun Song,Hugh M. Herr
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To establish and compare a closed-loop functional optogenetic stimulation (CL-FOS) system with closed-loop functional electrical stimulation (CL-FES) for controlling ankle joint position in murine models, focusing on accuracy, fatigue, and underlying mechanisms.

CL-FOS provides superior accuracy, faster response, and reduced fatigue compared to CL-FES in controlling ankle joint position. The 3-phase photo-kinetic model explains temporal dynamics, offering insights for future optogenetic therapies. This work supports the potential for CL-FOS in neuroprosthetic applications, though further research is needed for human translation and optimization.

The study is limited to murine models; translation to humans may face challenges due to differences in nerve depth and tissue properties. Transdermal light penetration constraints and potential heating issues with optical stimulation are noted. The 3-phase model may not fully capture all kinetic variations, and expression levels affect system response.

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