【突破】 治愈瘫痪，也许就在下一个十年
编者按： 科技就像浪潮。它们一波接一波，奔涌而来。眺目远望，从奔腾之势，就可以推断巨浪的不凡和冲击之力。昨日，全球知名科技媒体《麻省理工科技评论》的主编Jason Pontin先生与其中文合作伙伴“DeepTech深科技”宣布2017年全球十大突破性技术（10 Breakthrough Technologies 2017）如约而至，为我们带来过去一年中最为澎湃的十大浪潮。榜单中，强化学习、基因疗法2.0、细胞图谱与治愈瘫痪这四大技术有望在将来的15年内为生物技术与医药行业带来明显变革，这些领域也正为我们所关注。在今天的整版专题中，我们将为读者们重点介绍这四大技术。
据估计，全球有数百万人被各种原因引起的瘫痪所折磨，他们无时无刻不在期待着可以像普通人一样重新控制自己的身体。近些年来，科学家们在治愈瘫痪上取得了许多可喜的突破。据估计，它将在10-15年后迎来成熟。
▲去年，一项黑科技让瘫痪的猴子重新恢复了行走（图片来源：麻省理工科技评论）
人机交互，重建通路
想要治愈瘫痪，首先得了解瘫痪的病因。许多瘫痪是由外伤导致。突如其来的外力使脊髓受到损伤，从而打断了大脑向四肢发号施令的通路。光在美国，这样的患者就有25万之多。
让断掉的神经重生依旧是个难题，但这并不意味着我们就无法重建通路。如果我们能记录大脑的信号，并通过其他途径传递给四肢，也许我们就能绕开断掉的神经，让瘫痪患者恢复运动能力。这就好像地铁出现了故障，我们依旧可以打车去上班一样。
▲颜值爆表的Gregoire Courtine教授，让瘫痪的猴子恢复了行走（图片来源：CNP | EPF）
去年，《自然》杂志上就刊登了这样一种黑科技。神经学家Gregoire Courtine教授领导的研究小组在瘫痪的猴子的大脑内植入一个图钉大小的电极阵列，用于感应大脑中指导腿部运动的神经元的活动。然后他们利用无线发射器将这些信号传递到一件为猴子特制的夹克上，当猴子想行走的时候，就会触发脊髓中的预编程序，使猴子重新行走。
下一步，也许就是在人体上的应用。
治愈瘫痪的曙光
利用类似的原理，许多科学家们打造了一系列“神经旁路”，将大脑与四肢重新连接起来。
▲这个小电极，也许是治愈瘫痪的关键（图片来源：麻省理工科技评论）
早在10多年前，凯斯西储大学的Robert Kirsch博士就开始研究让瘫痪患者恢复运动能力的方法。去年，他和Bolu Ajiboye博士一道，成功将神经科技应用在了人体中。研究人员在瘫痪者大脑的运动皮层植入两束硅电极阵列，每个阵列的电线通过颅骨的金属端口导出，连接到可以翻译信号的计算机。然后医生在瘫痪者的右臂和右手上植入16个精细电极。当瘫痪者脑部的信号发送到这些电极时，会引起不同肌肉收缩，完成肩部、肘部和腕部的运动。依靠这些电极的作用，瘫痪者可以抬起手臂，并实现手掌的张握，甚至可以把有吸管的杯子递到嘴边。
来自匹兹堡大学的研究团队带来了另一项引人瞩目的突破。他们在一名瘫痪患者的脑中植入了四个电极，其中两个位于运动皮层，使他可以控制机械手臂，另外两个则位于感觉皮层。经过一个月的训练后，这名瘫痪患者不但能运动手指，还能感觉到“手指”的触摸和压迫。在美国前总统奥巴马访问实验室时，这名瘫痪患者与他顶拳相庆。
▲大脑控制的机械臂，与奥巴马顶拳相庆（图片来源：路透社）
考虑到瘫痪患者恢复行走能力的不易，杜克大学的Miguel Nicolelis教授与他的团队也开发了一套外骨骼系统。他们有一个大胆的计划——通过这套外骨骼系统，让患者恢复行走能力。这套系统利用“大脑-机器交互界面”，通过电极，将瘫痪者的大脑与外骨骼连接起来。当瘫痪者想走路的时候，电极就会把脑电波会传给外骨骼，帮助患者进行行走。在早期试验中，四名瘫痪者能自主控制腿部运动，甚至恢复了部分腿部知觉。
▲这套外骨骼，有望让瘫痪病人重新迈开步伐（图片来源：麻省理工科技评论）
明尼苏达大学的研究人员更是发明出了非侵入式意念控制机械手。人们不需要在大脑中植入设备，就可以通过意念控制外部的机械手臂，使机械手臂在复杂的三维环境中进行操作。这一设备采用脑电图的模式，通过一个有64个电极的头盔记录大脑活动的电子信号，然后通过信号处理和人工智能技术对这些信号进行解码，转化成特定的行动由机械手执行。
▲无需在大脑中植入电极，瘫痪患者就可以操纵机械臂（图片来源：雅虎）
我们可以看到，虽然这些技术未臻完美，但已经给许多瘫痪患者带来了曙光。我们期待着随着技术的进步，更多的瘫痪患者能恢复他们的日常生活。
参考资料
[1] Brain control of paralyzed limb lets monkey walk again
[2] Paralyzed man’s arm wired to receive brain signals
[3] Robotic arm delivers sense of touch straight to the brain
[4] With brain training and an exoskeleton, paraplegics seem to regain some feeling in their legs
[5] Robot arm can be controlled with thoughts, no brain implant needed
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信号接通！瘫痪猴重新行走
面对全身瘫痪的现实，已故好莱坞明星克里斯托弗·里夫，曾固执地不愿接受。
在银幕上，这位身高1米94、身材魁梧的“超人”扮演者，拥有钢铁之躯，能救人类于水火之中。在现实中，他因骑马时意外摔断颈椎，脊髓严重受损。医生宣判他将靠轮椅度过余生，但他认为，随着科技发展，“终有方法治愈”。
如今，由法国神经学家格雷瓜尔·库尔蒂纳（Grégoire Courtine）领衔，一支跨国研究团队奇迹般地让两只脊髓损伤的猴子恢复了自主行走——将芯片植入猴子大脑，发送无线信号，激活植于受伤的脊髓下段的接收器和脊髓电极，唤醒沉睡的运动神经。
“这是头一次，我们看见一个下肢瘫痪的非人灵长类动物，恢复了接近正常的行走步态，看起来就像脊髓没受过伤一样。这简直难以置信。”面对镜头，库尔蒂纳眼眶湿润。
参与研究的中国籍专家李秦博士告诉中国青年报·中青在线记者：“这也意味着，在人类身上实现的可能性非常大。”遗憾的是，12年前，因为心脏病突发，“超人”里夫没能等到这一天。
受“超人”鼓舞，科学家不断尝试“更实用的方法”
在中国医学科学院医学实验动物研究所的MOTAC中英合作实验室中，右下肢瘫痪的猕猴终于在跑步机上迈开步子，原本屏住呼吸的库尔蒂纳和同事纷纷鼓掌，挥舞手臂，爆发出欢呼声：“它又会走路了！”
为了这一刻，他们已经努力了7年。此前，他们让瘫痪的大鼠站了起来，这一次是更加接近人类的灵长类动物。同时，该研究最大的突破在于，猴子可以通过自身的意识控制下肢的运动，而不需要借助外部的“开关”。
这绝不是一项简单的工程，瑞士洛桑联邦理工学院的库尔蒂纳，形容这是“一曲协奏乐章”。包括中国在内，7个国家11家机构近百位研究人员参与，其中有神经生物学家和神经外科医生，也有工程师和理疗师。每天他们通过邮件交流最新的进展，随时探讨问题，也常去其他成员的国家访问。
对“总指挥”库尔蒂纳来说，正是“超人”里夫让他下定决心，在这一领域深耕，帮助瘫痪病人对抗残疾。
在遭遇意外前，里夫和电影中的超人一样勇敢无畏。他喜欢独自航海，曾驾飞机横跨大西洋。哪怕瘫痪后，他也穿着西装，戴着呼吸机，用虚弱的声音坚定地宣布：“世界上有些人可以接受肢体残疾的现实，但我，绝不是他们中的一个。”
他坚信自己会重新站起来。为了用足够好的身体迎接未来的科学成果，他每周做3次高强度锻炼，保持肌肉的弹性。尽管在事故发生后的两年内，他曾13次被送回医院，几次因为呼吸机脱落差点死去，并摊上了几乎所有并发症——肺炎、骨折、血栓、皮肤破裂、肠道疾病等。
他还和妻子创办了克里斯托弗·里夫瘫痪基金会，支持脊髓损伤治疗的相关研究。17年前，库尔蒂纳作为一个“小小的博士后”，在该基金会兼职。
他至今记得，那是一个普通的工作日，在一天快结束的时候，里夫对在场的学者和技术专家强调：“你们一定要专注于实用价值。”
“明天，当你们离开实验室时，我希望你们顺便去康复中心看看，瞧瞧那些伤者如何拼尽全力迈出一小步，如何挣扎着维持他们正在萎缩的躯体，然后等你们回家后，想想如何改变自己的研究方向，让他们的生活更美好。”这段话击中了库尔蒂纳。
他至今仍提醒自己和团队成员，“必须坚持尝试更实用的方法”，不断寻找见效最快、最实际的治疗手段。
过去经典的治疗方法是，神经桥梁的脊髓断了，人们就去修复这座大桥，通过刺激让被切断的神经纤维重新生长，最终“让大桥通车”。但对于库尔蒂纳来说，“这实在是太复杂了”。如果要尽早实现临床应用，他必须另辟蹊径。
“这次我们相当于在空中搭了一座桥。”李秦博士解释说，只不过这座桥是无形的。当脑中的电极捕捉到运动指令后，可以通过无线网络，绕过脊髓损伤区域，直接激活损伤下段脊髓，向肢体传递神经信号。
当这个“看似疯狂”的想法第一次闪现时，库尔蒂纳甚至不敢告诉自己的博士后导师。没想到，当他鼓足勇气敲开办公室门后，导师思忖了片刻，然后微微一笑：“干嘛不试试？”
大脑发出信号，通过电脑传递给腰部，控制下肢
把这个想法变为现实，很不容易。
“最困难的是研发所有需要的技术，并且把它们全部融合在一起。”库尔蒂纳对中国青年报·中青在线记者表示。
在百余年间，脊髓损伤引起的瘫痪一度被认为“治愈无望”。尽管里夫发誓，他将在50岁生日前重新学会走路，但无论他如何坚持锻炼，用电极刺激肌肉，这一愿望还是落了空。
不过，他唤起了公众对脊髓损伤治疗的关注。“每年有87亿美元花在那些脊髓损伤病人身上，仅仅用于勉强维持他们的生命，给他们提供轮椅，而非治愈他们，或者真正做点儿什么。”里夫在接受采访时强调。
他的基金会将各自作战的科学家拧成了一股绳。有人认为，此前，相关的研究以“蜗牛般的速度缓慢爬行”，而里夫执着的信仰，带来了巨大的推力，这一领域突然快速取得进展，“人们终于在隧道中看到了光亮”。
让瘫痪的猴子重新行走，无疑是光亮的一部分。
“这是脑和脊柱接口的重大突破。”李秦博士介绍。瘫痪猴子的脑部和损伤的脊髓下面，分别安装了电极。一旦猴子想要控制自己的右下肢，大脑便会发出特定的电信号。当脑中的电极捕捉到这个信号，便会通过无线网络和外部计算机沟通，计算机会将指令发送给腰部电极，从而控制猴子下肢的运动。
“说起来容易，实际操作起来非常难。”李秦回忆，团队成员经常在实验室待到凌晨，研究收集的大脑信号，或者改进实验装置。
首先要挑战大脑解码。他们导出猴子运动时的脑电活动，然后在纷杂的信号海洋中，剔除无数干扰，最终找到控制右下肢活动的那个关键信号。
让瘫痪的下肢自己动起来，也是一项关键技术。数年前，库尔蒂纳和团队已经在大鼠身上试验成功。在给大鼠脊髓下部安装电极并发送模拟大脑发出的电信号后，他们惊喜地看到，在大脑完全没有参与的情况下，瘫痪的大鼠嗖地就站了起来。
但不久后，库尔蒂纳开始感到沮丧，“这种运动完全是非主动的，大鼠实际上并不能控制自己的腿，很显然，还缺个方向盘”。
这次他们成功地在猴子脑中装上了“方向盘”。脑中植入的电极，能让猴子通过自己的“思想”控制腿部运动。这也是库尔蒂纳团队此项研究最大的亮点。
未来，机器可能给瘫痪者带来更多自由
库尔蒂纳给自己的项目命名为“重新行走计划”。他希望，5年后将脑和脊柱接口技术推进到人类临床试验阶段。
如果里夫还活着，这位“钢铁超人”也许会毫不犹豫地接受试验。
在朋友心中，里夫从不畏惧失败。他甚至告诉媒体：希望成为第一个“头颅移植手术”的人体试验品。但是在他发出呼声的1999年，由于技术不成熟，手术没有实施。
他还会坐在轮椅上，教儿子如何骑自行车。当时，年幼的孩子晃晃悠悠地坐在车上，听到背后父亲有力的指示：“听着，用力蹬你的右脚，把左脚放在踏板上，手臂保持笔直，眼睛盯着前方，然后拼命地向前、向前、向前！”
迎着风险向前，同样是库尔蒂纳唯一的选择。这一刻，他感到“既兴奋又恐惧”。在十几年的艰苦研究之后，他终于有望实现“超人”里夫所说的“实用价值”。但在人类身上做实验，意味着他不得不担起更大的责任。
他对记者表示：“我们的目标是帮助瘫痪者更好地康复，而非科幻般地消灭瘫痪。”首先，目前这项研究中依赖的电信号仅仅能让腿部伸展和弯曲，还无法完成更精细的动作，比如改变运动方向，或是越过障碍物。其次，如果运用到人类身上，还必须考虑如何适应直立行走时的身体平衡。
不过，当成果发表在《自然》杂志上后，有学者评价，这项研究是人类治疗瘫痪历史上的“又一里程碑”。
不久前，荷兰一名失去说话能力的渐冻症患者，成功地实现了用“意念”打字。通过在大脑中植入电极，捕捉精准的电信号，并让电极与计算机通信，她在短短6个月的训练之后，打字准确率达到了90%。
这都归功于近年来快速发展的脑机接口技术，先解码大脑信号，然后通过计算机枢纽，让大脑和外部设备相连。此前，布朗大学和斯坦福大学的联合团队，让瘫痪病人通过意念控制了外部的机械臂，指挥其抓起了饮料瓶，送到自己嘴边。
未来，机器可能给瘫痪者带来更多自由。
“完全放开了想，将来或许有一种装置，可以读懂我们的思想。你想干什么，它都能翻译出来，然后让机器人替你去干。”李秦博士大胆设想。
在库尔蒂纳看来，若能提高瘫痪病人的生活质量，他便心满意足了。世界上每年有50万人因脊髓损伤而瘫痪，“在短短几秒内，他们的生命突然变得黯淡无光”。
就像从前视自由为生命的“超人”里夫，意外发生后，他甚至无法给家人一个最简单的拥抱。他常常觉得，不能移动的身体与其说是血肉之躯，不如说是僵硬的石头。
“有时，瞥见人们自然地从椅子上起身，走出房间，我都会感到嫉妒。我知道他们做这些动作的时候，脑子里可能啥都没想。而我却看着他们惊讶地感慨：这究竟是怎么发生的？”
“超人”最终没等到他想要的。但他说过，在所有的梦里，他依然精力充沛地做着自己热爱的事儿，完美地掌控着自己的身体，无论是骑马、航行，还是拍电影、开飞机。
这些梦也许会在更多瘫痪者的生命里变成现实，如果那天真的到来，“超人”又得记大功。
来源：六六脑
编辑：格格
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