导 语
脊髓损伤会中断大脑与负责行走的脊髓区域之间的通讯，导致瘫痪。来自瑞士洛桑联邦理工学院的研究团队开发出一种恢复大脑和脊柱之间通讯的系统，该系统能够使因脊髓损伤而瘫痪的男子恢复接近自然程度的行走能力。相关研究成果发表在《自然》上。
1、研究背景
为了行走，大脑向位于腰骶脊髓的神经元发出执行命令。尽管大多数脊髓损伤不会直接损害这些神经元，但下行通路的破坏会中断这些神经元产生行走所必需的脑源命令。其后果是永久性瘫痪。已有研究表明，针对腰骶脊髓的各个背根进入区的硬膜外电刺激能够调节特定的腿部运动池。反过来，用预编程的时空序列招募这些背根进入区可以复制站立和行走时腿部运动池的生理激活。这些刺激序列恢复了因脊髓损伤而瘫痪的患者的站立和基本行走能力。然而，这种恢复需要可穿戴运动传感器来检测残余运动的运动意图或启动预编程刺激序列的补偿策略。因此，行走的控制并不被认为是完全自然的。此外，参与者表现出使腿部运动适应不断变化的地形和意志需求的能力有限。
2、研究概述
基于功能化导电聚合物的设计，研究团队设计了功能化聚苯胺基时序黏附水凝胶贴片。它可以实现心脏的同步机械生理监测和电耦合治疗，并牢固附着在心脏表面监测心脏的机械运动和电活动。
研究人员希望建立大脑和脊髓之间的数字桥梁，使参与者能够通过意志对肌肉活动时间和幅度进行控制，从而恢复人们因脊髓损伤所丧失的对自然站立和行走的适应性控制能力。为了建立这个数字桥梁，研究人员集成了两个完全植入的系统，能够以无线的方式实时记录皮质活动并对腰骶脊髓进行刺激。 研究人员为参加者植入了一个大脑植入物，作为一个将参加者思想转化为运动系统的一部分。位于硬脑膜的两个电极阵列记录感觉运动皮层的活动，感觉运动皮层是大脑中帮助指导肌肉运动的区域。这些信号被无线发送到处理单元，处理单元将它们转换成刺激模式，然后传输到脊髓植入物，以调整下肢肌肉的激活，从而在脊髓损伤导致的瘫痪后恢复站立和行走。
图1 a，由 64 个电极组成的两个皮层植入物被放置在感觉运动皮层的硬膜外，以收集皮层电图(ECoG)信号。处理单元预测运动意图，并将这些预测转化为针对腰骶脊髓背根进入区的硬膜外电刺激程序的调制。刺激由连接到 16 电极桨引线的植入式脉冲发生器提供。b，报告皮质植入位置的术前规划和术后确认的图像。L, 左；R, 右。c，个性化计算模型预测桨的最佳定位导致瞄准与下肢肌肉相关的背根进入区，并进行术后确认。
植入后，研究人员要求参与者尝试腿部关节运动，同时分析参与者的大脑活动。研究人员发现，不同的活动模式会区分臀部、膝盖和脚踝的运动，使他们能够将大脑信号映射到预期的运动。该团队针对控制重心下沉、向前推动和腿部摆动的肌肉创建了刺激模式，以重现行走动作。在使用过程中，人工智能算法将传入的大脑信号转换为脊柱植入物的适当命令信号。经过对系统的校准，参与者能够更流畅自然地行走。
图2 a，与尝试左髋屈曲相关的ECoG特征权重的空间和频谱分布的识别。b，校准阳极/阴极配置和刺激参数（频率、幅度范围）以引发左髋屈曲，包括来自下肢肌肉的肌电信号。极坐标图报告了在功能刺激幅度范围（300 µs、40 Hz、14-16 mA）内针对左髋屈肌的最佳配置的肌肉反应的相对幅度。c，BSI 在线校准，以实现坐姿下的自主髋部屈曲。代表性序列报告频谱图、解码概率和刺激幅度的比例调制以及由此产生的肌肉活动和扭矩。该图报告了模型随时间的收敛情况，90 秒后达到 97 ± 0.4%。d，BSI校准后的类似表示，能够控制下肢的髋关节、膝关节和踝关节。e，混淆矩阵报告每个关节的解码准确性（74±7％sem）和每个目标肌肉群的刺激准确性（83±6％sem）
研究人员发现，即使脑脊椎接口关闭，使用该设备时也能改善活动能力。
图3 a ，计时照片显示参与者在参加临床试验之前（STIMO 前）、完成后（STIMO 后）和临床试验完成后（BSI 后）在没有任何刺激的情况下的行走能力。b，两项临床试验的时间线，包括报告各种类型神经康复练习练习时间以及 BSI 家庭使用时间的饼状图。c，显示神经康复前后最大髋关节屈曲和相关屈肌活动的照片。d，两项临床试验过程中下肢运动评分的变化。e，报告两项临床试验过程中 WISCI II 评分改善的图。BSI支持的神经康复治疗恢复了在没有任何帮助或刺激的情况下拄着拐杖行走 10 m 以上的能力。f–h，报告6分钟步行测试 (f)、负重能力、起身时间、伯格平衡量表 (g) 和观察步态分析 (h) 量化的图（每个点指的是物理治疗师的分数 (n= 6，配对单尾t检验；** P=0.002，不可用。
3、研究意义
研究人员希望在未来可以将这种方法推广向其他患者，但认为康复程度可能取决于受伤的严重程度。该团队计划也将这种方法应用于上肢。
参考文献：
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
