導(dǎo) 語
脊髓損傷會中斷大腦與負(fù)責(zé)行走的脊髓區(qū)域之間的通訊，導(dǎo)致癱瘓。來自瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種恢復(fù)大腦和脊柱之間通訊的系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠使因脊髓損傷而癱瘓的男子恢復(fù)接近自然程度的行走能力。相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然》上。
1、研究背景
為了行走，大腦向位于腰骶脊髓的神經(jīng)元發(fā)出執(zhí)行命令。盡管大多數(shù)脊髓損傷不會直接損害這些神經(jīng)元，但下行通路的破壞會中斷這些神經(jīng)元產(chǎn)生行走所必需的腦源命令。其后果是永久性癱瘓。已有研究表明，針對腰骶脊髓的各個背根進(jìn)入?yún)^(qū)的硬膜外電刺激能夠調(diào)節(jié)特定的腿部運(yùn)動池。反過來，用預(yù)編程的時空序列招募這些背根進(jìn)入?yún)^(qū)可以復(fù)制站立和行走時腿部運(yùn)動池的生理激活。這些刺激序列恢復(fù)了因脊髓損傷而癱瘓的患者的站立和基本行走能力。然而，這種恢復(fù)需要可穿戴運(yùn)動傳感器來檢測殘余運(yùn)動的運(yùn)動意圖或啟動預(yù)編程刺激序列的補(bǔ)償策略。因此，行走的控制并不被認(rèn)為是完全自然的。此外，參與者表現(xiàn)出使腿部運(yùn)動適應(yīng)不斷變化的地形和意志需求的能力有限。
2、研究概述
基于功能化導(dǎo)電聚合物的設(shè)計(jì)，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了功能化聚苯胺基時序黏附水凝膠貼片。它可以實(shí)現(xiàn)心臟的同步機(jī)械生理監(jiān)測和電耦合治療，并牢固附著在心臟表面監(jiān)測心臟的機(jī)械運(yùn)動和電活動。
研究人員希望建立大腦和脊髓之間的數(shù)字橋梁，使參與者能夠通過意志對肌肉活動時間和幅度進(jìn)行控制，從而恢復(fù)人們因脊髓損傷所喪失的對自然站立和行走的適應(yīng)性控制能力。為了建立這個數(shù)字橋梁，研究人員集成了兩個完全植入的系統(tǒng)，能夠以無線的方式實(shí)時記錄皮質(zhì)活動并對腰骶脊髓進(jìn)行刺激。 研究人員為參加者植入了一個大腦植入物，作為一個將參加者思想轉(zhuǎn)化為運(yùn)動系統(tǒng)的一部分。位于硬腦膜的兩個電極陣列記錄感覺運(yùn)動皮層的活動，感覺運(yùn)動皮層是大腦中幫助指導(dǎo)肌肉運(yùn)動的區(qū)域。這些信號被無線發(fā)送到處理單元，處理單元將它們轉(zhuǎn)換成刺激模式，然后傳輸?shù)郊顾柚踩胛?，以調(diào)整下肢肌肉的激活，從而在脊髓損傷導(dǎo)致的癱瘓后恢復(fù)站立和行走。
圖1 a，由 64 個電極組成的兩個皮層植入物被放置在感覺運(yùn)動皮層的硬膜外，以收集皮層電圖(ECoG)信號。處理單元預(yù)測運(yùn)動意圖，并將這些預(yù)測轉(zhuǎn)化為針對腰骶脊髓背根進(jìn)入?yún)^(qū)的硬膜外電刺激程序的調(diào)制。刺激由連接到 16 電極槳引線的植入式脈沖發(fā)生器提供。b，報(bào)告皮質(zhì)植入位置的術(shù)前規(guī)劃和術(shù)后確認(rèn)的圖像。L, 左；R, 右。c，個性化計(jì)算模型預(yù)測槳的最佳定位導(dǎo)致瞄準(zhǔn)與下肢肌肉相關(guān)的背根進(jìn)入?yún)^(qū)，并進(jìn)行術(shù)后確認(rèn)。
植入后，研究人員要求參與者嘗試腿部關(guān)節(jié)運(yùn)動，同時分析參與者的大腦活動。研究人員發(fā)現(xiàn)，不同的活動模式會區(qū)分臀部、膝蓋和腳踝的運(yùn)動，使他們能夠?qū)⒋竽X信號映射到預(yù)期的運(yùn)動。該團(tuán)隊(duì)針對控制重心下沉、向前推動和腿部擺動的肌肉創(chuàng)建了刺激模式，以重現(xiàn)行走動作。在使用過程中，人工智能算法將傳入的大腦信號轉(zhuǎn)換為脊柱植入物的適當(dāng)命令信號。經(jīng)過對系統(tǒng)的校準(zhǔn)，參與者能夠更流暢自然地行走。
圖2 a，與嘗試左髖屈曲相關(guān)的ECoG特征權(quán)重的空間和頻譜分布的識別。b，校準(zhǔn)陽極/陰極配置和刺激參數(shù)（頻率、幅度范圍）以引發(fā)左髖屈曲，包括來自下肢肌肉的肌電信號。極坐標(biāo)圖報(bào)告了在功能刺激幅度范圍（300 µs、40 Hz、14-16 mA）內(nèi)針對左髖屈肌的最佳配置的肌肉反應(yīng)的相對幅度。c，BSI 在線校準(zhǔn)，以實(shí)現(xiàn)坐姿下的自主髖部屈曲。代表性序列報(bào)告頻譜圖、解碼概率和刺激幅度的比例調(diào)制以及由此產(chǎn)生的肌肉活動和扭矩。該圖報(bào)告了模型隨時間的收斂情況，90 秒后達(dá)到 97 ± 0.4%。d，BSI校準(zhǔn)后的類似表示，能夠控制下肢的髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)。e，混淆矩陣報(bào)告每個關(guān)節(jié)的解碼準(zhǔn)確性（74±7％sem）和每個目標(biāo)肌肉群的刺激準(zhǔn)確性（83±6％sem）
研究人員發(fā)現(xiàn)，即使腦脊椎接口關(guān)閉，使用該設(shè)備時也能改善活動能力。
圖3 a ，計(jì)時照片顯示參與者在參加臨床試驗(yàn)之前（STIMO 前）、完成后（STIMO 后）和臨床試驗(yàn)完成后（BSI 后）在沒有任何刺激的情況下的行走能力。b，兩項(xiàng)臨床試驗(yàn)的時間線，包括報(bào)告各種類型神經(jīng)康復(fù)練習(xí)練習(xí)時間以及 BSI 家庭使用時間的餅狀圖。c，顯示神經(jīng)康復(fù)前后最大髖關(guān)節(jié)屈曲和相關(guān)屈肌活動的照片。d，兩項(xiàng)臨床試驗(yàn)過程中下肢運(yùn)動評分的變化。e，報(bào)告兩項(xiàng)臨床試驗(yàn)過程中 WISCI II 評分改善的圖。BSI支持的神經(jīng)康復(fù)治療恢復(fù)了在沒有任何幫助或刺激的情況下拄著拐杖行走 10 m 以上的能力。f–h，報(bào)告6分鐘步行測試 (f)、負(fù)重能力、起身時間、伯格平衡量表 (g) 和觀察步態(tài)分析 (h) 量化的圖（每個點(diǎn)指的是物理治療師的分?jǐn)?shù) (n= 6，配對單尾t檢驗(yàn)；** P=0.002，不可用。
3、研究意義
研究人員希望在未來可以將這種方法推廣向其他患者，但認(rèn)為康復(fù)程度可能取決于受傷的嚴(yán)重程度。該團(tuán)隊(duì)計(jì)劃也將這種方法應(yīng)用于上肢。
參考文獻(xiàn)：
Lorach, H., Galvez, A., Spagnolo, V. et al. Walking naturally after spinal cord injury using a brain–spine interface. Nature 618, 126–133 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06094-5
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