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《自然》:脑-脊髓接口搭建“数字桥梁”,使瘫痪者恢复行走

北京科协

试验参与者佩戴BSI行走。图片来源:《自然》杂志

瘫痪后,运动能力可以恢复了?

瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)生命科学学院格雷瓜尔·库尔廷(Grégoire Courtine)及其同事的一项研究表明,一种脑-脊髓接口(BSI)装置可以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,参与试验的患者在植入装置关闭后仍能使用拐杖行走。

相关论文于当地时间5月23日发表于《自然》(Nature)杂志,论文题为《脊髓损伤后使用脑-脊髓接口可自然行走》(Walking naturally after spinal cord injury using a brain–spine interface)。

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。库尔廷团队过去的研究已表明,针对腰骶脊髓的硬膜外电刺激(Epidural electrical stimulation, EES)可以恢复脊髓损伤患者的行走能力。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的能力也很有限。

在这次的研究中,库尔廷团队所测试的BSI可实现大脑和脊髓的数字化连接,使患者可以通过意志来控制肌肉活动时间和幅度,更好地恢复对站立和行走的自然控制。库尔廷团队将这种数字化连接称为“数字桥梁”,“这座‘数字桥梁’为恢复瘫痪患者对运动的自然控制建立了一个框架。”库尔廷及其同事说。

脑-脊髓接口装置的构成

BSI由一个植入的记录系统和刺激系统组成,可以无限、实时地记录腰骶脊髓的皮质活动和对腰骶脊髓的刺激。植入物由64个电极(8×8的网格)和嵌入直径50毫米、厚度与颅骨相同的圆形钛壳的记录电子设备组成。两根外部天线嵌于一个个性化耳机中,以确保与植入物的可靠耦合,其中一根高频天线(13.56 MHz)为植入的电子设备供电,第二个超高频天线(402-405MHz)将感觉运动皮层的皮质电图(ECoG)信号实时传输到便携式基站和处理单元。

BSI的设计、技术和植入。图片来源:库尔廷团队论文

随后,解码的运动意图被转换为刺激命令,该刺激命令被传输到定制软件中。这些命令被传递到ACTIVA RC植入式脉冲发生器,该植入式脉冲发生器常用于传递帕金森病患者的脑深部刺激,库尔廷团队升级了该植入物,使其可实时调整硬膜外电刺激的位置和时间,然后使用指定的植入式导线将电流传递到目标区域。

库尔廷团队设置了一项地面刺激运动(Stimulation Movement Overground,STIMO)-BSI临床试验,一名38岁男性患者参与了这项试验,他在10年前的一次自行车事故中发生了不完全的颈椎损伤。经过开颅手术,库尔廷团队使用两个可植入的记录设备替换了该患者的骨瓣,完成了BSI的植入。

库尔廷团队开发了支持直接、快速和稳定地校准皮层活动和刺激程序之间的联系的程序,BSI在几分钟内即可完成校准,这使参与者能够在没有监督的情况下在家中操作BSI。

BSI支持自然行走并促进神经康复

为了测试BSI是否可以使患者恢复对自然行走的控制,库尔廷团队首先在患者站立并随意抬高脚时测试了BSI,经过5分钟校准后,BSI可支持对髋屈肌活动的连续控制,与没有BSI相比,参与者的肌肉活动增加了5倍,库尔廷团队使用同样的配置来测试该设备是否支持患者使用拐杖行走。

结果显示,BSI支持患者对行走进行连续、直观和稳健的控制。当BSI被关闭时,参与者立即失去了执行任何步骤的能力。BSI被重新启用后,参与者能够决定是否开始踏步、连续行走、停止或安静站立。

接着,库尔廷团队试图测试BSI是否可以使患者直观和自然地控制复杂的日常生活。测试发现,有了BSI,参与者可轻松地爬一个陡峭的斜坡,且完成任务的速度比没有刺激时快2倍。此外,BSI还支持参与者爬连续的楼梯,通过障碍以及穿越不断变化的地形。稳定性测试显示,BSI能维持一年以上的可靠和稳定性。

值得注意的是,库尔廷团队还研究了BSI是否可以进一步改善神经康复。试验参与者在参加STIMO-BSI之前,已经参与过另一项STIMO临床试验,这项试验使他重新获得对先前瘫痪的肌肉的意志控制,并改善了他的站立和行走功能。然而,经过三年的常规刺激训练后,他已经达到了恢复的平台期。

在这次的STIMO-BSI试验中,参与者完成了40次神经康复治疗,其中包括BSI行走,BSI单关节运动,BSI平衡和标准物理治疗。研究结果显示,关闭BSI,参与者在6分钟步行测试、负重能力、计时行走等临床评估中都表现出了改善。在无BSI的情况下,参与者生活质量得到了提高,比如在房子里独立行走,开车进进出出,或者和朋友站在酒吧里喝饮料。

需验证其他部位和严重程度的适用性

不过,库尔廷团队表示,该研究仍存在局限性。对“数字桥梁”的验证仅限于一个有严重但部分脊髓损伤的个体,尚不清楚BSI是否适用于其他损伤部位和严重程度。“不过已有一些观察结果表明,这种方法将适用于广泛的瘫痪患者。事实上,我们能够配置刺激程序,让三名完全感觉运动瘫痪的参与者在一天内恢复步行前进。”库尔廷团队指出。

库尔廷团队认为,在大脑和脊髓间搭建“数字桥梁”的概念或有助于改善对神经系统疾病导致的运动障碍的治疗。但扩大“数字桥梁”的规模还需要做一些发展性的工作:首先,植入物的实际应用需要将基站、计算单元和天线小型化。其次,脊柱植入物必须有超快的通信能力、多功能的刺激参数和直接的无线控制。最后,两个植入物可以通过一个单一的低功率集成电路来控制,集成一个具有自我校准能力的神经形态处理器,可以自动将皮质活动转化为刺激程序的更新。

“虽然这些工作需要时间和资源,但我们预计这一过渡不会遇到技术阻碍。”库尔廷团队表示,“‘数字桥梁’的概念预示着神经系统障碍引起的运动障碍治疗的新时代。”

来源:澎湃新闻,记者 曹年润

评论
^0^漂泊的❤^0^
进士级
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。
2023-05-26
武建平—1
儒生级
据说我国也在脑机链接方面走在世界前列,前两年浙大医院为一名残疾人植入了芯片,部分恢复了残肢的功能。
2023-05-25
徐世如
举人级
已阅读
2023-05-26