Nature | 大脑到脊髓的数字”桥梁”使瘫痪的人恢复对双腿的控制
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我们是如何控制身体运动的？
Silvia Arber 和 Rui M. Costa 于2018 年系统性阐述了一条从大脑运动皮层--脊髓--肌肉的信号传递链[1]（图1）。脊髓的损伤(spinal cord injury ,SCI)中断了这种从大脑到控制肌肉的信号传递，从而导致瘫痪。瘫痪的人从行动能力的（部分）丧失到肢体完全失去知觉，情况不一。据世界卫生组织 (World Health Organization ,WHO)估计，每年有约 250,000到500,000 人受SCI折磨。然而目前并未有明确有效且安全的治愈瘫痪的医疗手段。
图1 大脑到脊髓的信息传递
如何让瘫痪的人重新恢复对双腿的控制？
早在2012年，人们成功在猴子身上实现“神经桥接”[2]，将神经活动和肌肉活动信号关联分析，从而完成从捕捉”运动意念”到直接刺激肌肉活动的连接（图2a）。同年在人身上成功实现了人脑对于机械臂的控制（图2 b）[3]。而真正在人体上成功实现大脑到肌肉的‘桥接’是在2016年，该实验成功的完成了从人的意念到肌肉（手）的控制[4]。（图2 c）
图2 神经桥接之路
在2018年，来自瑞士洛桑联邦理工学院的神经科学家Grégoire Courtine 和他的团队通过在患者训练（物理疗法）过程中引入硬膜外电刺激（ epidural electrical stimulation，EES，这里用于给脊髓神经传递电脉冲），这种刺激帮助重新建立麻痹肌肉的适应性控制，促进了恢复过程中的运动功能表现，最终使得脊髓损伤的人可以重新行走 [5](图3)。此外，同年也有其他团队做出类似的突破进展。
图3 左：神经医师Jocelyne Bloch，中:SCI患者右：Grégoire Courtine
图片Credit : KEYSTONE/Valentin Flauraud
而在2022年2月，Grégoire Courtine 团队实现了第一个植入式的设备，通过记录正常人体运动过程中下肢从 大脑、上脊髓接收的信号，从而模拟并直接刺激患者肌肉实现运动[6]。患者对于运动的控制需要通过设备上的开关按钮来进行。这种方法意味着不再需要康复训练，患者只需要一天之内就可以建立对自己肢体的控制（图4）。
图4 实现个性化定制的EES植入式设备
同年11月，Grégoire Courtine 团队做了更详尽的研究[7]，参与试验的9名人员——其中3名完全瘫痪并失去了腿部感觉——在接受配合植入在脊柱中EES训练后，恢复了行走的能力。在进行为期五个月的试验后，所有参与者均能承受自己的体重并行走，使用步行器来保持稳定。其中四位患者不再需要 EES刺激开启即可行走。这种持续的康复表明，电刺激可以触发脊髓神经元重新组合，使运动网络重新启动。
2023年5月24日，Grégoire Courtine 团队打通了从大脑-脊髓的桥接，当患者想要行走时，颅骨植入物会检测到大脑外层皮层的电信号活动[8]。这个信号通过无线电传输并被一个患者佩戴的背包中的计算机解码，然后将信息传输到脊柱脉冲发生器。此前的设备更像是一个“预先编程的刺激”，而现在产生的对脊髓的刺激更加自由可控，更加自主。
图5 Gert-Jan Oskam 借助拐杖行走。12年前，脊髓损伤导致他颈以下瘫痪。新的设备使得他重获运动自由。Credit: CHUV/Gilles Weber
研究团队也观察到了一些神经修复的迹象，这意味着患者并非需要长期依赖于设备才能恢复脊髓损伤造成的影响。尽管这项研究的风险、适用性仍处于初期的探索，但这项研究是人们探索大脑对肢体运动的控制和让瘫痪患者真正恢复运动能力迈出的重要一步。
参考文献
参考文献
[1]. Silvia Arber, Rui M. Costa, Connecting neuronal circuits for movement. Science360, 1403-1404(2018). DOI:10.1126/science.aat5994
[2]. Ethier, C., Oby, E., Bauman, M. et al. Restoration of grasp following paralysis through brain-controlled stimulation of muscles. Nature 485, 368–371 (2012). https://doi.org/10.1038/nature10987
[3]. Hochberg, L., Bacher, D., Jarosiewicz, B. et al. Reach and grasp by people with tetraplegia using a neurally controlled robotic arm. Nature 485, 372–375 (2012). https://doi.org/10.1038/nature11076
[4]. Bouton, C., Shaikhouni, A., Annetta, N. et al. Restoring cortical control of functional movement in a human with quadriplegia. Nature 533, 247–250 (2016). https://doi.org/10.1038/nature17435
[5]. Wagner, F.B., Mignardot, JB., Le Goff-Mignardot, C.G. et al. Targeted neurotechnology restores walking in humans with spinal cord injury. Nature 563, 65–71 (2018). https://doi.org/10.1038/s41586-018-0649-2
[6]. Rowald, A., Komi, S., Demesmaeker, R. et al. Activity-dependent spinal cord neuromodulation rapidly restores trunk and leg motor functions after complete paralysis. Nat Med 28, 260–271 (2022). https://doi.org/10.1038/s41591-021-01663-5
[7]. Kathe, C., Skinnider, M.A., Hutson, T.H. et al. The neurons that restore walking after paralysis. Nature 611, 540–547 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-05385-7
[8]. Lorach, H., Galvez, A., Spagnolo, V. et al. Walking naturally after spinal cord injury using a brain–spine interface. Nature (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06094-5
其余参考：
NEWS.24 May 2023. Brain–spine interface allows paralysed man to walk using his thoughts. https://www.nature.com/articles/d41586-023-01728-0
NEWS. 09 November 2022. Electrical stimulation helps paralysed people walk again — and now we know why.
https://doi.org/10.1038/d41586-022-03605-8
NEWS. 08 February 2022. Stimulating spinal cord helps paralysed people to walk again
https://www.nature.com/articles/d41586-022-00367-1
NEWS. 31 July 2019. How a revolutionary technique got people with spinal-cord injuries back on their feet.
https://www.nature.com/articles/d41586-019-02306-z
NEWS. 31 Oct 2018. A giant step for spinal cord injury research.
https://www.nature.com/articles/s41593-018-0264-4
NEWS. 13 April 2016. First paralysed person to be 'reanimated' offers neuroscience insights
https://www.nature.com/articles/nature.2016.19749
供稿 | 孔方
审稿 | 王雨蒙
责编 | 囡囡
排版 | 可洲
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