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时隔12年的医学奇迹!《自然》重磅飞跃:瘫痪的他,用意念实现了自然行走

学术经纬 学术经纬 2023-09-23

▎药明康德内容团队编辑  


▲在最新一期《自然》论文中,脑-脊髓接口帮助瘫痪患者实现自然行走(视频来源:参考资料[1])


12年前,28岁的荷兰人Gert-Jan Oskam在骑行时遭遇了一场严重的车祸,脊椎损伤破坏了大脑与控制行走的脊髓区域之间的通信,令他的双腿瘫痪、手臂也部分丧失功能。即使经过长期的康复训练,他也无法抬起腿来。看起来,Oskam余生只能借助轮椅来活动了。

但在5年前,苏黎世联邦理工学院的科学家们让事情有了转机。他们设计了一套全新的辅助设备,通过电脉冲刺激脊髓,令瘫痪患者的肌肉重新实现了收缩。在这套设备的帮助下,3名脊髓受损的患者能够借助简单的辅助工具重新走动。Oskam就是其中一名“幸运儿”,他可以在电脉冲刺激和拐杖的帮助下行走一段距离。(更多阅读:今日《自然》重磅:不可思议!三名瘫痪患者重拾行走能力

▲包括Oskam在内的3名患者在工具帮助下可以重新走动(图片来源:参考资料[2])

对Oskam来说,重新行走的感觉很美好,但这与真正的自主行走之间仍有相当一段距离。他需要按一个按钮才能开始行走或站立。当他抬起脚后跟,位于脚上的传感器能检测到这样微小的移动,启动电脉冲刺激。电脉冲诱导的行走本身也是机械、无意识的,他无法通过自己的意识来控制运动的方式。某种意义上来说,Oskam就像是被机器控制的“木偶”。此外,其腿部运动适应地形变化的能力也很有限,至于上楼梯这样复杂的运动更是遥不可及。

现在,这些科学家为他们的装置带来了重大升级。他们设计的植入装置能够恢复瘫痪患者大脑和脊髓间的通信,并促进神经恢复。借助这套装置,Oskam在瘫痪12年之后重新夺回了对双腿的控制权,能够自然流畅地行走,甚至还能跨过障碍、爬楼梯。这项研究发表于最新一期《自然》杂志。

以前是电刺激控制我,现在我可以用思想控制它。” Oskam说。


在研究团队看来,实现大脑和脊髓的数字化连接,或许可以增加对肌肉活动的控制,帮助瘫痪患者更好地恢复控制站立、行走的能力。为此,他们将Oskam已经在使用的脊髓电刺激与脑机接口相结合,打造了一款脑-脊髓接口(BSI)装置。BSI包含了两个64(8×8)电极的阵列作为刺激系统,它们各自被嵌入钛壳中,通过外科手术植入两侧大脑的运动皮层顶部。

▲BSI装置示意图(图片来源:参考资料[1])

完成手术后,一旦Oskam想要运动(例如上楼梯),这两块植入物可以接收来自运动皮层的电信号,并通过无线设备传到Oskam背包中的笔记本电脑里。与此同时,电脑中的人工智能算法可以实时解析运动皮层发出的信号,将电流转变为上楼梯的动作意图。接下来,这些解析结果被送往植入的刺激系统,后者根据动作意图来提供相应的电脉冲刺激,指导Oskam抬起腿。

借助这套设备,Oskam可以更加精准地控制自己的髋关节、膝关节和踝关节。经过40次康复训练,他可以自然控制腿部在站立、行走、爬楼梯甚至是经过复杂地形时的运动,这在以前是不可能实现的。

▲借助这套装置,Oskam可以在拐杖的帮助下自然行走(图片来源:CHUV/Gilles Weber)

此外,这套设备还能促进神经修复,即使BSI关闭,Oskam也能重新掌握用拐杖在地面行走的能力。这表明,其大脑与下半身之间的联系可能已经得到加强。另一个积极的迹象是,Oskam在事故中丧失的感官知觉和运动技能也开始恢复了。值得一提的是,BSI能维持一年以上的可靠和稳定运行,包括当患者在家中无人监督时也能使用。

这款植入装置如图一座桥梁,跨越了大脑与脊髓之间因事故而产生的沟壑。“我可以按自己的想法来行动,当我决定迈出一步,只要我想到它,刺激就会开始。” Oskam说。

▲Oskam在洛桑大学附属医院的实验室中行走(图片来源:Jimmy Ravier)

目前,这款装置仍有进一步改进提升的空间。在植入6个月后,Oskam脑部的装置被移除,因为开颅手术造成了葡萄球菌感染。因此,降低侵入性治疗的风险将成为重要方向。此外,研究人员希望可以减小植入物的体积,以及计划检测BSI能否用于恢复、改善患者手臂和手部的运动。研究团队希望,该思路还将应用于更多场景,包括治疗神经系统疾病导致的运动障碍。相信在未来,这些瘫痪患者面临的禁锢终将被突破。

参考资料:
[1] 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
[2] Fabien B. Wagner et al., Targeted neurotechnology restores walking in humans with spinal cord injury, Nature (2018), DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-018-0649-2
[3] Brain–spine interface allows paralysed man to walk using his thoughts. Retrieved May 25, 2023 from https://www.nature.com/articles/d41586-023-01728-0
[4] Paralyzed man walks naturally, thanks to wireless ‘bridge’ between brain and spine. Retrieved May 25, 2023 from https://www.science.org/content/article/paralyzed-man-walks-naturally-thanks-wireless-bridge-brain-spine


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