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▲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： ）
▲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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