癱瘓后，運動(dòng)能力可以恢復了？
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)現能促進(jìn)神經(jīng)恢復，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)論文于當地時(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域之間的通信，導致癱瘓。庫爾廷團隊過(guò)去的研究已表明，針對腰骶脊髓的硬膜外電刺激（Epidural electrical stimulation, EES）可以恢復脊髓損傷患者的行走能力。然而，這不僅需要患者佩戴運動(dòng)傳感器，而且患者的腿部運動(dòng)適應不斷變化的地形的能力也很有限。
在這次的研究中，庫爾廷團隊所測試的BSI可實(shí)現大腦和脊髓的數字化連接，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，更好地恢復對站立和行走的自然控制。庫爾廷團隊將這種數字化連接稱(chēng)為“數字橋梁”，“這座‘數字橋梁’為恢復癱瘓患者對運動(dòng)的自然控制建立了一個(gè)框架�！睅鞝柾⒓捌渫抡f(shuō)。
腦-脊髓接口裝置的構成
BSI由一個(gè)植入的記錄系統和刺激系統組成，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備組成。兩根外部天線(xiàn)嵌于一個(gè)個(gè)性化耳機中，以確保與植入物的可靠耦合，其中一根高頻天線(xiàn)（13.56 MHz）為植入的電子設備供電，第二個(gè)超高頻天線(xiàn)（402-405MHz）將感覺(jué)運動(dòng)皮層的皮質(zhì)電圖（ECoG）信號實(shí)時(shí)傳輸到便攜式基站和處理單元。
隨后，解碼的運動(dòng)意圖被轉換為刺激命令，該刺激命令被傳輸到定制軟件中。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，庫爾廷團隊升級了該植入物，使其可實(shí)時(shí)調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線(xiàn)將電流傳遞到目標區域。
庫爾廷團隊設置了一項地面刺激運動(dòng)（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(chē)事故中發(fā)生了不完全的頸椎損傷。經(jīng)過(guò)開(kāi)顱手術(shù)，庫爾廷團隊使用兩個(gè)可植入的記錄設備替換了該患者的骨瓣，完成了BSI的植入。
庫爾廷團隊開(kāi)發(fā)了支持直接、快速和穩定地校準皮層活動(dòng)和刺激程序之間的聯(lián)系的程序，BSI在幾分鐘內即可完成校準，這使參與者能夠在沒(méi)有監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
為了測試BSI是否可以使患者恢復對自然行走的控制，庫爾廷團隊首先在患者站立并隨意抬高腳時(shí)測試了BSI，經(jīng)過(guò)5分鐘校準后，BSI可支持對髖屈肌活動(dòng)的連續控制，與沒(méi)有BSI相比，參與者的肌肉活動(dòng)增加了5倍，庫爾廷團隊使用同樣的配置來(lái)測試該設備是否支持患者使用拐杖行走。
結果顯示，BSI支持患者對行走進(jìn)行連續、直觀(guān)和穩健的控制。當BSI被關(guān)閉時(shí)，參與者立即失去了執行任何步驟的能力。BSI被重新啟用后，參與者能夠決定是否開(kāi)始踏步、連續行走、停止或安靜站立。
接著(zhù)，庫爾廷團隊試圖測試BSI是否可以使患者直觀(guān)和自然地控制復雜的日常生活。測試發(fā)現，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的樓梯，通過(guò)障礙以及穿越不斷變化的地形。穩定性測試顯示，BSI能維持一年以上的可靠和穩定性。
值得注意的是，庫爾廷團隊還研究了BSI是否可以進(jìn)一步改善神經(jīng)康復。試驗參與者在參加STIMO-BSI之前，已經(jīng)參與過(guò)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(guò)三年的常規刺激訓練后，他已經(jīng)達到了恢復的平臺期。
在這次的STIMO-BSI試驗中，參與者完成了40次神經(jīng)康復治療，其中包括BSI行走，BSI單關(guān)節運動(dòng)，BSI平衡和標準物理治療。研究結果顯示，關(guān)閉BSI，參與者在6分鐘步行測試、負重能力、計時(shí)行走等臨床評估中都表現出了改善。在無(wú)BSI的情況下，參與者生活質(zhì)量得到了提高，比如在房子里獨立行走，開(kāi)車(chē)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重程度的適用性
不過(guò)，庫爾廷團隊表示，該研究仍存在局限性。對“數字橋梁”的驗證僅限于一個(gè)有嚴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重程度�！安贿^(guò)已有一些觀(guān)察結果表明，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)運動(dòng)癱瘓的參與者在一天內恢復步行前進(jìn)�！睅鞝柾F隊指出。
庫爾廷團隊認為，在大腦和脊髓間搭建“數字橋梁”的概念或有助于改善對神經(jīng)系統疾病導致的運動(dòng)障礙的治療。但擴大“數字橋梁”的規模還需要做一些發(fā)展性的工作：首先，植入物的實(shí)際應用需要將基站、計算單元和天線(xiàn)小型化。其次，脊柱植入物必須有超快的通信能力、多功能的刺激參數和直接的無(wú)線(xiàn)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，但我們預計這一過(guò)渡不會(huì )遇到技術(shù)阻礙�！睅鞝柾F隊表示，“‘數字橋梁’的概念預示著(zhù)神經(jīng)系統障礙引起的運動(dòng)障礙治療的新時(shí)代�！�
來(lái)源：澎湃新聞，記者 曹年潤
