Nature：让意念化为行动：电刺激技术帮助瘫痪患者重新控制肌肉
2018-12-06 Nature自然科研 Nature自然科研
三名脊髓损伤患者在电刺激的帮助下恢复了对腿部肌肉的控制，其行走能力也有了提高。
三名脊髓损伤患者在电刺激的帮助下恢复了对腿部肌肉的控制，其行走能力也有了提高。
其中一人之前完全不能行走，现在已能在外力帮助下活动。
“这是一个巨大的进步。”华盛顿大学的康复医学研究员Chet Moritz说，他并未参与这项研究。
更重要的是，电刺激对所有受试人员的肌肉运动能力的改善是持续的。即便刺激终了，也会继续得到改善。其中两人的行走能力也得到了提高。
但研究人员告诫说，这种被称为硬膜外电刺激的技术尚处于早期阶段，且尚不清楚它对多少脊髓损伤的人群有用。到目前为止，这种技术只在那些损伤平面以下仍保有一定运动功能的脊髓损伤患者中进行过验证。
上述研究发表在10月31日的《自然》期刊上。
Moritz表示，这对于脊髓损伤研究来说是一个“突破”。另外两个实验组也各自报道经过电刺激后脊髓损伤患者恢复了行走能力。
在9月24日发表的一篇论文中，明尼苏达州梅奥诊所的物理治疗师Megan Gill及其同事描述了一名损伤平面以下完全瘫痪的人，经过43周的训练和电刺激后，如何能够在跑步机上行走。
9月27日，肯塔基州路易斯维尔大学的脊髓研究人员Claudia Angeli及其同事报道，经过15周和85周的训练后，接受连续硬膜外刺激的四名患者中有两人能在辅助装置帮助下行走。
但领导最新这项研究的瑞士联邦理工学院的神经科学家GrégoireCourtine表示，其团队的精准定时刺激可能比连续刺激效果更好。连续电刺激可能会阻断从腿部传回大脑的部分残余信号。
被切断的大脑与脊髓联系
脊髓损伤割断了大脑和脊髓神经元之间的联系，造成损伤平面以下的躯体的运动和感觉缺失，有时甚至会导致瘫痪。
在大多数情况下，大脑和损伤后脊髓中的运动神经元之间仍然存在一些联系，但这些联系不足以让人继续行走。
Courtine的团队利用电刺激为这些运动神经元提供额外刺激，增强了神经元从与大脑残存连接中接收到的信号。
研究人员首先将行走所需的动作拆解，例如弯曲髋部、伸展踝部等，明确了每一个动作所涉及的脊髓区域。
然后他们在三名受试者体内植入电刺激器，这三人腿部运动功能均因脊髓损伤受到了不同程度的损害。根据之前研究出的参与行走的脊髓区域，该团队设计了一系列电脉冲，在正确的时间和位置刺激脊髓以促进运动发生。
将意念化为行动
这种电刺激本身并不产生运动——只有在研究受试者试图自己做动作时才能发挥作用。“电刺激可以看做是一个放大器。”Courtine说，“并非我们控制患者的腿部运动。患者的运动需得由他们自己操控。”
Courtine说，仅两天之后，患者就逐步适应了这种电刺激。一周之内，受试者就能够在辅助装置的帮助下行走，这些辅助装置能帮他们分担部分体重。
受试者中一人此前双腿无法产生任何运动，一人左腿完全瘫痪，另一人腿部仍有部分运动能力，但试图行走时却无法抬腿。
经过五个月的复健和电刺激，受试者的状况得到了进一步的改善：最终，即使外部刺激已经终止，研究人员也能观察到受试者运动能力的持续改善。两名受试者能够拄着拐杖独立行走，其中一人甚至可以在不借助任何外力的情况下行走几步。第三名受试者之前受伤最为严重，现如今已可以在平躺时移动自己瘫痪的腿。
Moritz说，研究结果表明电刺激加强了大脑与脊髓神经元之间的联系，他就这项研究，在《自然-神经科学》上撰写了一篇新闻与观点文章。他说，神经科学的一个基本原则是“协同放电的细胞必将连接在一起”，这么说来，放大大脑和脊髓神经元之间的相互作用能够增强两者的联系也就说得通了。
仍需进一步验证的希望
佛罗里达州Neurotech Network的执行董事Jennifer French说，这项研究着实让人兴奋。Neurotech Network是一个非营利组织，致力于向神经系统疾病患者普及最新的神经学技术。
但是她指出，受试者仍需需要外界辅助装置分担体重才能四处走动。
美国凯斯西储大学脊髓损伤临床研究员Kim Anderson补充说，这项技术可能并非对所有脊髓损伤的患者都有效。研究中的受试者在开始电刺激之前均保留了一定程度的运动功能，而大多数脊髓损伤患者受的是“完全的运动”损伤，因此没有残余运动能力。
Courtine的团队还开发了一些技术，使受试者在实验室外也能使用硬膜外电刺激。这些技术包括触发刺激的可穿戴传感器以及可以在语音控制手表上运行的应用程序，允许用户准确选择所需的刺激形式。
Courtine表示，这些设备仍处于开发阶段，但受试者在行走，甚至骑臂-腿共驱三轮车过程中都使用了它们。Courtine说，在接下来的三年里，他的目标是优化电刺激技术并验证其安全性和有效性。
伦敦帝国理工学院的神经学家Simone Di Giovanni乐观地认为，电刺激技术有朝一日可以得到更广泛的应用。他说，目前尚不清楚它对受伤更严重人群的效果如何，因此仍需要进一步的实验。
原始出处：
Emanuele Formento, Karen Minassian, Fabien Wagner, et al. Electrical spinal cord stimulation must preserve proprioception to enable locomotion in humans with spinal cord injury. Nature. Oct 2018.
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