《自然》：腦-脊髓接口搭建“數(shù)字橋梁”，使癱瘓者恢復(fù)行走

試驗參與者佩戴BSI行走。圖片來源：《自然》雜志

癱瘓后，運(yùn)動能力可以恢復(fù)了？

瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）生命科學(xué)學(xué)院格雷瓜爾·庫爾廷（Grégoire Courtine）及其同事的一項研究表明，一種腦-脊髓接口（BSI）裝置可以幫助手臂和腿部癱瘓患者自然站立和行走。該裝置還被發(fā)現(xiàn)能促進(jìn)神經(jīng)恢復(fù)，參與試驗的患者在植入裝置關(guān)閉后仍能使用拐杖行走。

相關(guān)論文于當(dāng)?shù)貢r間5月23日發(fā)表于《自然》（Nature）雜志，論文題為《脊髓損傷后使用腦-脊髓接口可自然行走》（Walking naturally after spinal cord injury using a brain–spine interface）。

脊髓損傷會破壞大腦與控制行走的脊髓區(qū)域之間的通信，導(dǎo)致癱瘓。庫爾廷團(tuán)隊過去的研究已表明，針對腰骶脊髓的硬膜外電刺激（Epidural electrical stimulation, EES）可以恢復(fù)脊髓損傷患者的行走能力。然而，這不僅需要患者佩戴運(yùn)動傳感器，而且患者的腿部運(yùn)動適應(yīng)不斷變化的地形的能力也很有限。

在這次的研究中，庫爾廷團(tuán)隊所測試的BSI可實現(xiàn)大腦和脊髓的數(shù)字化連接，使患者可以通過意志來控制肌肉活動時間和幅度，更好地恢復(fù)對站立和行走的自然控制。庫爾廷團(tuán)隊將這種數(shù)字化連接稱為“數(shù)字橋梁”，“這座‘?dāng)?shù)字橋梁’為恢復(fù)癱瘓患者對運(yùn)動的自然控制建立了一個框架。”庫爾廷及其同事說。

腦-脊髓接口裝置的構(gòu)成

BSI由一個植入的記錄系統(tǒng)和刺激系統(tǒng)組成，可以無限、實時地記錄腰骶脊髓的皮質(zhì)活動和對腰骶脊髓的刺激。植入物由64個電極（8×8的網(wǎng)格）和嵌入直徑50毫米、厚度與顱骨相同的圓形鈦殼的記錄電子設(shè)備組成。兩根外部天線嵌于一個個性化耳機(jī)中，以確保與植入物的可靠耦合，其中一根高頻天線（13.56 MHz）為植入的電子設(shè)備供電，第二個超高頻天線（402-405MHz）將感覺運(yùn)動皮層的皮質(zhì)電圖（ECoG）信號實時傳輸?shù)奖銛y式基站和處理單元。

BSI的設(shè)計、技術(shù)和植入。圖片來源：庫爾廷團(tuán)隊論文

隨后，解碼的運(yùn)動意圖被轉(zhuǎn)換為刺激命令，該刺激命令被傳輸?shù)蕉ㄖ栖浖?。這些命令被傳遞到ACTIVA RC植入式脈沖發(fā)生器，該植入式脈沖發(fā)生器常用于傳遞帕金森病患者的腦深部刺激，庫爾廷團(tuán)隊升級了該植入物，使其可實時調(diào)整硬膜外電刺激的位置和時間，然后使用指定的植入式導(dǎo)線將電流傳遞到目標(biāo)區(qū)域。

庫爾廷團(tuán)隊設(shè)置了一項地面刺激運(yùn)動（Stimulation Movement Overground，STIMO）-BSI臨床試驗，一名38歲男性患者參與了這項試驗，他在10年前的一次自行車事故中發(fā)生了不完全的頸椎損傷。經(jīng)過開顱手術(shù)，庫爾廷團(tuán)隊使用兩個可植入的記錄設(shè)備替換了該患者的骨瓣，完成了BSI的植入。

庫爾廷團(tuán)隊開發(fā)了支持直接、快速和穩(wěn)定地校準(zhǔn)皮層活動和刺激程序之間的聯(lián)系的程序，BSI在幾分鐘內(nèi)即可完成校準(zhǔn)，這使參與者能夠在沒有監(jiān)督的情況下在家中操作BSI。

BSI支持自然行走并促進(jìn)神經(jīng)康復(fù)

為了測試BSI是否可以使患者恢復(fù)對自然行走的控制，庫爾廷團(tuán)隊首先在患者站立并隨意抬高腳時測試了BSI，經(jīng)過5分鐘校準(zhǔn)后，BSI可支持對髖屈肌活動的連續(xù)控制，與沒有BSI相比，參與者的肌肉活動增加了5倍，庫爾廷團(tuán)隊使用同樣的配置來測試該設(shè)備是否支持患者使用拐杖行走。

結(jié)果顯示，BSI支持患者對行走進(jìn)行連續(xù)、直觀和穩(wěn)健的控制。當(dāng)BSI被關(guān)閉時，參與者立即失去了執(zhí)行任何步驟的能力。BSI被重新啟用后，參與者能夠決定是否開始踏步、連續(xù)行走、停止或安靜站立。

接著，庫爾廷團(tuán)隊試圖測試BSI是否可以使患者直觀和自然地控制復(fù)雜的日常生活。測試發(fā)現(xiàn)，有了BSI，參與者可輕松地爬一個陡峭的斜坡，且完成任務(wù)的速度比沒有刺激時快2倍。此外，BSI還支持參與者爬連續(xù)的樓梯，通過障礙以及穿越不斷變化的地形。穩(wěn)定性測試顯示，BSI能維持一年以上的可靠和穩(wěn)定性。

值得注意的是，庫爾廷團(tuán)隊還研究了BSI是否可以進(jìn)一步改善神經(jīng)康復(fù)。試驗參與者在參加STIMO-BSI之前，已經(jīng)參與過另一項STIMO臨床試驗，這項試驗使他重新獲得對先前癱瘓的肌肉的意志控制，并改善了他的站立和行走功能。然而，經(jīng)過三年的常規(guī)刺激訓(xùn)練后，他已經(jīng)達(dá)到了恢復(fù)的平臺期。

在這次的STIMO-BSI試驗中，參與者完成了40次神經(jīng)康復(fù)治療，其中包括BSI行走，BSI單關(guān)節(jié)運(yùn)動，BSI平衡和標(biāo)準(zhǔn)物理治療。研究結(jié)果顯示，關(guān)閉BSI，參與者在6分鐘步行測試、負(fù)重能力、計時行走等臨床評估中都表現(xiàn)出了改善。在無BSI的情況下，參與者生活質(zhì)量得到了提高，比如在房子里獨(dú)立行走，開車進(jìn)進(jìn)出出，或者和朋友站在酒吧里喝飲料。

需驗證其他部位和嚴(yán)重程度的適用性

不過，庫爾廷團(tuán)隊表示，該研究仍存在局限性。對“數(shù)字橋梁”的驗證僅限于一個有嚴(yán)重但部分脊髓損傷的個體，尚不清楚BSI是否適用于其他損傷部位和嚴(yán)重程度?！安贿^已有一些觀察結(jié)果表明，這種方法將適用于廣泛的癱瘓患者。事實上，我們能夠配置刺激程序，讓三名完全感覺運(yùn)動癱瘓的參與者在一天內(nèi)恢復(fù)步行前進(jìn)?！睅鞝柾F(tuán)隊指出。

庫爾廷團(tuán)隊認(rèn)為，在大腦和脊髓間搭建“數(shù)字橋梁”的概念或有助于改善對神經(jīng)系統(tǒng)疾病導(dǎo)致的運(yùn)動障礙的治療。但擴(kuò)大“數(shù)字橋梁”的規(guī)模還需要做一些發(fā)展性的工作：首先，植入物的實際應(yīng)用需要將基站、計算單元和天線小型化。其次，脊柱植入物必須有超快的通信能力、多功能的刺激參數(shù)和直接的無線控制。最后，兩個植入物可以通過一個單一的低功率集成電路來控制，集成一個具有自我校準(zhǔn)能力的神經(jīng)形態(tài)處理器，可以自動將皮質(zhì)活動轉(zhuǎn)化為刺激程序的更新。

“雖然這些工作需要時間和資源，但我們預(yù)計這一過渡不會遇到技術(shù)阻礙?！睅鞝柾F(tuán)隊表示，“‘?dāng)?shù)字橋梁’的概念預(yù)示著神經(jīng)系統(tǒng)障礙引起的運(yùn)動障礙治療的新時代?！?/p>

來源：澎湃新聞，記者 曹年潤