《自然》:脑

百科 2024-04-14 19:26:25 7195

澎湃新闻记者 曹年润。自然脑

测试参与者佩戴BSI行走。自然脑图片来源:《自然》杂志。自然脑

瘫痪后,自然脑运动能力可以恢复吗?

瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)格雷瓜尔·库尔廷生命科学学院(Grégoire Courtine)及其同事的自然脑一项研究表明,一种脑脊髓接口(BSI)该装置有助于手臂和腿部瘫痪患者自然站立和行走。自然脑该装置还被发现能促进神经恢复,自然脑植入装置关闭后,自然脑参与试验的自然脑患者仍可使用拐杖行走。

当地时间5月23日发表的自然脑《自然》相关论文(Nature)论文题为《脊髓损伤后使用脑-脊髓接口可自然行走》(Walking naturally after spinal cord injury using a brain–spine interface)。

脊髓损伤会破坏大脑与控制行走的自然脑脊髓区域之间的通信,导致瘫痪。自然脑库尔廷团队过去的自然脑研究表明,腰骶脊髓硬膜外电刺激(Epidural electrical stimulation, EES)脊髓损伤患者的自然脑行走能力可以恢复。然而,自然脑这不仅要求患者佩戴运动传感器,而且适应不断变化的地形的能力也非常有限。

在这项研究中,库尔廷团队测试的BSI可以实现大脑和脊髓之间的数字连接,使患者能够通过意志控制肌肉活动的时间和范围,更好地恢复对站立和行走的自然控制。库尔廷团队称这种数字连接为“数字桥”,为恢复瘫痪患者对运动的自然控制建立了框架。库尔廷及其同事说。

脑-脊髓接口装置的组成。

BSI由植入记录系统和刺激系统组成,可以无限实时地记录腰骶脊髓的皮质活动和刺激。植入物由64个电极(8)组成×由嵌入直径50mm、厚度与颅骨相同的圆形钛壳的记录电子设备组成。个性化耳机嵌入两个外部天线,以确保与植入物的可靠耦合,其中一个是高频天线(13.56 MHz)为植入的电子设备供电,第二个超高频天线(402-405mHz)会感觉到运动皮层的皮质电图(ECoG)信号实时传输到便携式基站和处理单元。

BSI的设计、技术和植入。图片来源:库尔廷团队论文。

随后,解码的运动意图被转换为刺激命令,传输到定制软件中。这些命令被传递到ACTIVA RC植入脉冲发生器通常用于传递帕金森病患者的脑深刺激。库尔廷团队升级了植入物,实时调整硬膜外电刺激的位置和时间,然后使用指定的植入导线将电流传递到目标区域。

库尔廷团队设置了地面刺激运动(Stimulation Movement Overground,STIMO)-一名38岁的男性患者参加了BSI临床试验,他在10年前的一次自行车事故中颈椎损伤不完全。库尔廷团队在开颅手术后,用两种可植入的记录设备替换了患者的骨瓣,完成了BSI植入。

库尔廷团队开发了一个程序,支持直接、快速、稳定地校准皮层活动和刺激程序之间的联系。BSI可以在几分钟内完成校准,这样参与者就可以在没有监督的情况下在家里操作BSI。

BSI支持自然行走,促进神经康复。

为了测试BSI是否能恢复患者对自然行走的控制,库尔廷团队首先测试了BSI,当患者站立并随意抬起脚时。经过5分钟的校准,BSI可以支持髋屈肌活动的持续控制。与没有BSI相比,参与者的肌肉活动增加了5倍,库尔廷团队使用相同的配置来测试设备是否支持患者使用拐杖行走。

结果表明,BSI支持患者连续、直观、稳定地控制行走。当BSI关闭时,参与者立即失去执行任何步骤的能力。BSI重新启用后,参与者可以决定是否开始步行、连续行走、停止或安静站立。

然后,库尔廷团队试图测试BSI是否能让患者直观自然地控制复杂的日常生活。测试发现,有了BSI,参与者可以轻松地爬上陡坡,完成任务的速度是没有刺激的两倍。此外,BSI还支持参与者通过障碍物和不断变化的地形爬连续楼梯。稳定性测试表明,BSI可以保持一年以上的可靠性和稳定性。

值得注意的是,库尔廷队还研究了BSI能否进一步改善神经康复。在参加STIMO-BSI之前,测试参与者参加了另一项STIMO临床试验,使他能够重新控制以前瘫痪的肌肉,改善他的站立和行走功能。然而,经过三年的常规刺激训练,他已经达到了恢复平台期。

在STIMO-BSI试验中,参与者完成了40次神经康复治疗,包括BSI行走、BSI单关节运动、BSI平衡和标准物理治疗。研究结果表明,BSI关闭后,参与者在6分钟步行测试、负载能力、计时行走等临床评估方面都有所改善。在没有BSI的情况下,参与者的生活质量有所提高,比如在房子里独立行走,开车进出,或者和朋友站在酒吧喝酒。

需要验证其他部位和严重程度的适用性。

然而,库尔廷队表示,这项研究仍然有局限性。对“数字桥”的验证仅限于一个脊髓损伤严重但部分的个体,目前尚不清楚BSI是否适用于其他损伤部位和严重程度。“然而,一些观察结果表明,该方法将适用于广泛瘫痪的患者。事实上,我们可以配置刺激程序,让三名完全感到运动瘫痪的参与者在一天内恢复步行。库尔廷队指出。

库尔廷团队认为,在大脑和脊髓之间建立“数字桥梁”的概念可能有助于改善神经系统疾病引起的运动障碍的治疗。但要扩大“数字桥”的规模,还需要做一些发展性的工作:首先,植入物的实际应用需要小型化基站、计算单元和天线。其次,脊柱植入物必须具有超快通信能力、多功能刺激参数和直接无线控制。最后,两种植入物可以通过一个单一的低功率集成电路来控制,集成一个具有自我校准能力的神经处理器,可以自动将皮革活动转化为刺激程序的更新。

“虽然这些工作需要时间和资源,但我们预计这种过渡不会遇到技术障碍。“数字桥梁的概念预示着神经系统障碍引起的运动障碍治疗的新时代,”库尔廷团队说。”。

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