导读
脊髓损伤会破坏大脑与控制行走的脊髓区域之间的通信，导致瘫痪。之前恢复这类瘫痪患者运动能力的技术需要对脊髓区域进行电刺激，来实现站立和行走。然而，这不仅需要患者佩戴运动传感器，而且患者的腿部运动适应不断变化的地形和需求的能力也很有限。
2023 年 5 月 24 日，来自瑞士联邦理工学院等单位的研究团队在 Nature 发表了题为 Walking naturally after spinal cord injury using a brain-spine interface 的文章。研究中报道了一种能恢复大脑和脊髓间通信的植入装置，能够帮助手臂和腿部瘫痪患者自然站立和行走。该装置还被发现能促进神经恢复，患者在植入装置关闭后仍能使用拐杖行走。
该研究结果为恢复瘫痪后的自然运动控制搭建了一个框架。
来源：Nature
主要研究内容
从大脑到脊髓的数字桥梁
为了建立这种数字桥梁，需要两种类型的电子植入物。一方面，他们在负责控制腿部运动的大脑区域上方植入了 WIMAGINE 设备，可以解码我们思考行走时大脑产生的电信号。另一方面，他们还在控制腿部运动的脊髓区域放置了一个连接到电极阵列的神经刺激器。
基于自适应人工智能方法的算法，运动意图可以从大脑记录中实时解码。然后，这些意图被转换成脊髓的电刺激序列，进而激活腿部肌肉以实现所需的运动，从而使得脊髓损伤的瘫痪患者恢复站立和行走。这个数字桥梁可以无线操作，让瘫痪患者可以实现独立移动。
来源：Nature
脑-脊髓接口（BSI）神经外科植入
在 STIMO-BSI 临床试验（NCT04632290）的背景下，他们招募了一名 38 岁的男性，他在十年前的一次自行车事故中遭受了不完全性颈椎（C5/C6）脊髓损伤。为了指导 BSI 的植入，他们制定了术前计划程序，以能够优化记录和刺激植入物在大脑和脊髓上的位置。
BSI 需要检测与移动左右下肢意图相关的神经特征。为了确定对移动下肢每个关节最敏感的皮质区域，他们获得了基于计算机断层扫描和脑磁图的解剖和功能成像数据，并将这些信息与解剖学限制相结合，以确定两个 ECoG 记录植入物的最佳位置，旨在解码左下肢和右下肢运动。
在 STIMO 临床试验期间，桨式导联被放置在腰椎根的背侧进入区，利用高分辨率结构成像的个性化脊柱模型确定导联的最佳位置，术中根据电生理记录优化最终位置。最终，与导线相连的可植入脉冲发生器被插入腹部皮下口袋。
来源：Nature
设置皮质和脊柱植入物
BSI 的校准需要两个独立的程序来选择区分运动意图的 ECoG 记录的特征，并配置调节下肢肌肉特定集合的刺激程序。
第一个步骤包括提取与两个下肢每个关节的活动意图相关的 ECoG 信号的空间、频谱和时间特征。为此，参与者被要求在坐姿中尝试臀部、膝盖和脚踝的左右两侧运动，同时记录 ECoG 信号。这种映射能够识别捕捉到大量运动相关信息的电极、光谱特征和时间窗口；另一方面，上肢相关运动与通过位于植入物侧面的电极测量的 ECoG 信号的调制相一致，运动相关信息包含在 ECoG 信号的整个 β 和 γ 频段范围内。
第二个步骤包括配置刺激运动的方案。脊髓的硬膜外电刺激可以通过招募投射到这些运动池所在的脊髓区域的背根进入区来调节运动池的特定集合。反过来，优化的阳极和阴极配置可以将电场引导到背根进入区域的特定子集，以调节运动神经元池的明确集合。这一生理原理使每个关节的伸展和屈曲运动得以调节。
然后，他们将刺激幅度的模拟控制集成到算法中，参与者在不到两分钟的时间内就能够控制臀部肌肉的活动，产生扭矩，准确度为 97%。
来源：Nature
立即恢复自然行走
行走涉及明确的肌肉激活模式序列，支持重量接受、推进和左右下肢的摆动。这些序列与位于分离良好的腰骶脊髓区域内的运动池的激活相吻合。因此，他们在库中选择了针对与体重接受、推进和摇摆功能相关的肌肉的刺激程序，并将这些程序与解码概率联系起来，并校准了 BSI，使参与者能够控制刺激程序的相对振幅，以实现体重接受和摆动功能。
他们首先在站立时自愿抬高脚时测试 BSI，在仅仅 5 分钟的校准后，BSI 就可以支持对髋屈肌活动的持续控制，这使得参与者的肌肉活动比没有 BSI 的尝试前增加了 5 倍。此外，BSI 实现了连续、直观和稳健的行走控制。
来源：Nature
神经系统的恢复
临床研究旨在探讨 BSI 支持的神经康复是否进一步改善机体的神经恢复。在参加 STIMO-BSI 之前，参与者已经完成了临床试验 STIMO，这使他能够恢复对先前瘫痪肌肉的意志控制，并改善他的站立和行走功能。
经过三年只进行刺激的常规训练后，他已经达到了恢复的平台期。随后，参与者完成了 40 次神经康复疗程，包括 BSI 患者行走、BSI 患者单关节运动、BSI 患者平衡和标准理疗。这种神经康复方案在没有刺激的情况下显著改善了髋屈肌的意志控制和相关的髋屈运动，表现出感觉和运动评分的增加以及站立和行走能力的增强。
具体而言，参与者在所有常规临床评估中都表现出改善，并且这些改善也转化为生活质量的提高，例如在家里独立行走，或者和朋友站在酒吧里喝饮料。
来源：Nature
结语
总的来说，该团队利用在大脑和脊髓之间创建了一个无线接口，称为脑-脊髓接口（BSI），能将大脑和参与行走的脊髓区域连接起来。它可以使脊髓损伤的瘫痪患者恢复对下肢运动的自然控制，使其能够在复杂的地形上站立和行走、爬楼梯。
BSI 能在几分钟内完成校准，能维持一年以上的可靠和稳定运行。此外，该脑-脊髓接口支持的神经康复能促进神经修复，即使 BSI 关闭，患者也能重新掌握用拐杖在地面行走的能力。
参与者 Gert-Jan 在一次自行车事故中脊髓损伤而导致瘫痪，该技术使他重新获得了对瘫痪双腿运动的自然控制，使他能够站立、行走，甚至爬楼梯。Gert-Jan 表示：「我已经恢复了与朋友站在酒吧里分享啤酒的乐趣，这种简单的快乐代表了我生活的重大变化。」
本研究共同通讯作者 Guillaume Charvet 提到：「得益于基于自适应人工智能方法的算法，运动意图可以从大脑记录中实时解码。然后，这些意图被转化为对脊髓的一系列电刺激，进而激活腿部肌肉以实现预期的运动。我们开发的这个数字桥梁可以无线操作，允许病人实现独立活动。」
期待这一治疗方法有朝一日能够改善全世界成千上万瘫痪者们的生活！
转自：“丁香学术”微信公众号
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