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《自然》：腦-脊髓接口搭建“數(shù)字橋梁”，使癱瘓者恢復(fù)行走 2023-05-25 07:37:36 來(lái)源: 澎湃新聞 作者: 曹年潤(rùn)        

澎湃新聞?dòng)浾?曹年潤(rùn)

癱瘓后，運(yùn)動(dòng)能力可以恢復(fù)了？

(資料圖)

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(kù)爾廷（Grégoire Courtine）及其同事的一項(xiàng)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(yàn)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(shí)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(huì)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(kù)爾廷團(tuán)隊(duì)過(guò)去的研究已表明，針對(duì)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(dòng)傳感器，而且患者的腿部運(yùn)動(dòng)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(kù)爾廷團(tuán)隊(duì)所測(cè)試的BSI可實(shí)現(xiàn)大腦和脊髓的數(shù)字化連接，使患者可以通過(guò)意志來(lái)控制肌肉活動(dòng)時(shí)間和幅度，更好地恢復(fù)對(duì)站立和行走的自然控制。庫(kù)爾廷團(tuán)隊(duì)將這種數(shù)字化連接稱為“數(shù)字橋梁”，“這座‘數(shù)字橋梁’為恢復(fù)癱瘓患者對(duì)運(yùn)動(dòng)的自然控制建立了一個(gè)框架。”庫(kù)爾廷及其同事說(shuō)。

腦-脊髓接口裝置的構(gòu)成

BSI由一個(gè)植入的記錄系統(tǒng)和刺激系統(tǒng)組成，可以無(wú)限、實(shí)時(shí)地記錄腰骶脊髓的皮質(zhì)活動(dòng)和對(duì)腰骶脊髓的刺激。植入物由64個(gè)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(gè)個(gè)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(gè)超高頻天線（402-405MHz）將感覺(jué)運(yùn)動(dòng)皮層的皮質(zhì)電圖（ECoG）信號(hào)實(shí)時(shí)傳輸?shù)奖銛y式基站和處理單元。

隨后，解碼的運(yùn)動(dòng)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(kù)爾廷團(tuán)隊(duì)升級(jí)了該植入物，使其可實(shí)時(shí)調(diào)整硬膜外電刺激的位置和時(shí)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(kù)爾廷團(tuán)隊(duì)設(shè)置了一項(xiàng)地面刺激運(yùn)動(dòng)（Stimulation Movement Overground，STIMO）-BSI臨床試驗(yàn)，一名38歲男性患者參與了這項(xiàng)試驗(yàn)，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(guò)開顱手術(shù)，庫(kù)爾廷團(tuán)隊(duì)使用兩個(gè)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(kù)爾廷團(tuán)隊(duì)開發(fā)了支持直接、快速和穩(wěn)定地校準(zhǔn)皮層活動(dòng)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(méi)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(cè)試BSI是否可以使患者恢復(fù)對(duì)自然行走的控制，庫(kù)爾廷團(tuán)隊(duì)首先在患者站立并隨意抬高腳時(shí)測(cè)試了BSI，經(jīng)過(guò)5分鐘校準(zhǔn)后，BSI可支持對(duì)髖屈肌活動(dòng)的連續(xù)控制，與沒(méi)有BSI相比，參與者的肌肉活動(dòng)增加了5倍，庫(kù)爾廷團(tuán)隊(duì)使用同樣的配置來(lái)測(cè)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(duì)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(shí)，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(kù)爾廷團(tuán)隊(duì)試圖測(cè)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(cè)試發(fā)現(xiàn)，有了BSI，參與者可輕松地爬一個(gè)陡峭的斜坡，且完成任務(wù)的速度比沒(méi)有刺激時(shí)快2倍。此外，BSI還支持參與者爬連續(xù)的樓梯，通過(guò)障礙以及穿越不斷變化的地形。穩(wěn)定性測(cè)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(kù)爾廷團(tuán)隊(duì)還研究了BSI是否可以進(jìn)一步改善神經(jīng)康復(fù)。試驗(yàn)參與者在參加STIMO-BSI之前，已經(jīng)參與過(guò)另一項(xiàng)STIMO臨床試驗(yàn)，這項(xiàng)試驗(yàn)使他重新獲得對(duì)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(guò)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(tái)期。

在這次的STIMO-BSI試驗(yàn)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(dòng)，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(cè)試、負(fù)重能力、計(jì)時(shí)行走等臨床評(píng)估中都表現(xiàn)出了改善。在無(wú)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(yàn)證其他部位和嚴(yán)重程度的適用性

不過(guò)，庫(kù)爾廷團(tuán)隊(duì)表示，該研究仍存在局限性。對(duì)“數(shù)字橋梁”的驗(yàn)證僅限于一個(gè)有嚴(yán)重但部分脊髓損傷的個(gè)體，尚不清楚BSI是否適用于其他損傷部位和嚴(yán)重程度。“不過(guò)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(shí)上，我們能夠配置刺激程序，讓三名完全感覺(jué)運(yùn)動(dòng)癱瘓的參與者在一天內(nèi)恢復(fù)步行前進(jìn)。”庫(kù)爾廷團(tuán)隊(duì)指出。

庫(kù)爾廷團(tuán)隊(duì)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(duì)神經(jīng)系統(tǒng)疾病導(dǎo)致的運(yùn)動(dòng)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(shí)際應(yīng)用需要將基站、計(jì)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(wú)線控制。最后，兩個(gè)植入物可以通過(guò)一個(gè)單一的低功率集成電路來(lái)控制，集成一個(gè)具有自我校準(zhǔn)能力的神經(jīng)形態(tài)處理器，可以自動(dòng)將皮質(zhì)活動(dòng)轉(zhuǎn)化為刺激程序的更新。

“雖然這些工作需要時(shí)間和資源，但我們預(yù)計(jì)這一過(guò)渡不會(huì)遇到技術(shù)阻礙。”庫(kù)爾廷團(tuán)隊(duì)表示，“‘數(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(dòng)障礙治療的新時(shí)代。”