《自然》：腦-脊髓接口搭建“數字橋梁”，使癱瘓者恢復行走 2023-05-25 07:37:36 來源: 澎湃新聞 作者: 曹年潤
澎湃新聞記者 曹年潤
癱瘓后，運動能力可以恢復了？
(資料圖)
瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）生命科學學院格雷瓜爾·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。該裝置還被發現能促進神經恢復，參與試驗的患者在植入裝置關閉后仍能使用拐杖行走。
相關論文于當地時間5月23日發表于《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域之間的通信，導致癱瘓。庫爾廷團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）可以恢復脊髓損傷患者的行走能力。然而，這不僅需要患者佩戴運動傳感器，而且患者的腿部運動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可實現大腦和脊髓的數字化連接，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為“數字橋梁”，“這座‘數字橋梁’為恢復癱瘓患者對運動的自然控制建立了一個框架。”庫爾廷及其同事說。
腦-脊髓接口裝置的構成
BSI由一個植入的記錄系統和刺激系統組成，可以無限、實時地記錄腰骶脊髓的皮質活動和對腰骶脊髓的刺激。植入物由64個電極（8×8的網格）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。兩根外部天線嵌于一個個性化耳機中，以確保與植入物的可靠耦合，其中一根高頻天線（13.56 MHz）為植入的電子設備供電，第二個超高頻天線（402-405MHz）將感覺運動皮層的皮質電圖（ECoG）信號實時傳輸到便攜式基站和處理單元。
隨后，解碼的運動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植入式脈沖發生器，該植入式脈沖發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，使其可實時調整硬膜外電刺激的位置和時間，然后使用指定的植入式導線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（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生了不完全的頸椎損傷。經過開顱手術，庫爾廷團隊使用兩個可植入的記錄設備替換了該患者的骨瓣，完成了BSI的植入。
庫爾廷團隊開發了支持直接、快速和穩定地校準皮層活動和刺激程序之間的聯系的程序，BSI在幾分鐘內即可完成校準，這使參與者能夠在沒有監督的情況下在家中操作BSI。
BSI支持自然行走并促進神經康復
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測試了BSI，經過5分鐘校準后，BSI可支持對髖屈肌活動的連續控制，與沒有BSI相比，參與者的肌肉活動增加了5倍，庫爾廷團隊使用同樣的配置來測試該設備是否支持患者使用拐杖行走。
結果顯示，BSI支持患者對行走進行連續、直觀和穩健的控制。當BSI被關閉時，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始踏步、連續行走、停止或安靜站立。
接著，庫爾廷團隊試圖測試BSI是否可以使患者直觀和自然地控制復雜的日常生活。測試發現，有了BSI，參與者可輕松地爬一個陡峭的斜坡，且完成任務的速度比沒有刺激時快2倍。此外，BSI還支持參與者爬連續的樓梯，通過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是否可以進一步改善神經康復。試驗參與者在參加STIMO-BSI之前，已經參與過另一項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，經過三年的常規刺激訓練后，他已經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次神經康復治療，其中包括BSI行走，BSI單關節運動，BSI平衡和標準物理治療。研究結果顯示，關閉BSI，參與者在6分鐘步行測試、負重能力、計時行走等臨床評估中都表現出了改善。在無BSI的情況下，參與者生活質量得到了提高，比如在房子里獨立行走，開車進進出出，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，庫爾廷團隊表示，該研究仍存在局限性。對“數字橋梁”的驗證僅限于一個有嚴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重程度。“不過已有一些觀察結果表明，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，讓三名完全感覺運動癱瘓的參與者在一天內恢復步行前進。”庫爾廷團隊指出。
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系統疾病導致的運動障礙的治療。但擴大“數字橋梁”的規模還需要做一些發展性的工作：首先，植入物的實際應用需要將基站、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能力的神經形態處理器，可以自動將皮質活動轉化為刺激程序的更新。
“雖然這些工作需要時間和資源，但我們預計這一過渡不會遇到技術阻礙。”庫爾廷團隊表示，“‘數字橋梁’的概念預示著神經系統障礙引起的運動障礙治療的新時代。”
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