第1个回答 2024-08-10
伸手、拾球、握球、扔球……两只手部瘫痪的猴子竟然完成了这样一组接近常规的复杂动作，这项成果为人类脊髓损伤患者运动功能的恢复带来了希望。贵州医科大学附属医院骨外科李青
这是来自美国西北大学范伯格医学院的一项最新研究成果，生理学教授米勒（Lee E. Miller）博士带领的研究小组，借助大脑与肌肉的一个人造连接成功地使瘫痪猴子恢复了较为复杂的手部运动能力。这篇论文发布在2012年4月18日的《自然》杂志上。
据不完全统计，全世界每年超过13万人遭遇脊髓损伤后存活下来，但他们将一直忍受着重度瘫痪之痛。这些瘫痪患者中一半人的第六颈椎以上遭到损伤，直接影响到四肢运动。对于他们中的大多数人来说，重新获得抓取物体的能力是最现实的恩惠。
正是基于这个原因，米勒博士研究小组致力于通过结合两种技术生成一个神经假体装置，用该设备取代丧失或损伤的神经系统功能，来重新恢复瘫痪患者手部的运动能力。
这两种技术对于脑损伤和脊髓损伤康复领域的医患人员来说，都不陌生。但在此之前，两者更像是两条平行轨道上的列车，为了同样的目标在各自的路径上前后奔跑，在偶然的一个弯道，两种技术并入同一轨道，产生了一个令人意想不到的结果――意念取物。
功能性电刺激
第一项技术就是功能性电刺激（Functional Electrical Stimulation，FES）。一位瘫痪患者开始时步速慢于0.2m/s，只能拖着一条腿走路，也就是常说的足下垂，使用一条通道的功能性电刺激技术，刺激背刺屈肌即可纠正足下垂，刺激踝关节可使足部抬起。一段时间以后，他可以把步速提高到0.7m/s，而且很快就不需要拐杖了。这不是发生在童话里的魔法故事，而是早在上世纪60年代就已被证实有效的FES技术。FES旨在通过使用电刺激的手段，以精确的刺激顺序和刺激强度激活瘫痪或轻瘫的肌肉，使脊髓损伤患者恢复一定运动能力。它的技术原理是通过低频脉冲电流刺激神经或肌肉，引起肌肉收缩，继而实现被刺激肌肉或肌群功能的改善或恢复。
FES最早用于康复医学领域。1961年美国利伯森（Liberson）等人通过刺激腓总神经，成功治疗了足下垂的7名偏瘫患者。随后的40年中，FES技术在截瘫患者行走能力恢复方面逐步发力，如今已经被证实是一种对瘫痪者下肢能力恢复比较有效的临床工具。
目前在全世界，约有超过24个研究中心都在积极评估FES在恢复站立和行走能力方面的作用，以及开发FES助行系统。
但迄今为止，通过FDA认证的用于短距离步行的FES系统只有Parastep助行系统，该系统由伊利诺斯大学与芝加哥的一个医学中心共同研制，由多通道刺激器、12片表面电极和辅助器械组成，用于训练残疾度介于T4级和T12级之间的截瘫病人的站立和行走。
虽然FES很早就用于临床并取得了显著疗效，但是其刺激信号的控制问题制约了FES的进一步发展。因为如果找不到合适的刺激信号，FES就不能达到很好的治疗效果，而且其对残肢的运动控制只能根据预设的模式进行，不能实时地根据患者意愿来随意进行肢体的运动控制。
更重要的一个现实问题是，在对脊髓损伤患者下肢运动功能恢复取得确实进步的同时，FES似乎对瘫痪者上肢的功能恢复没有找到合适的办法，直到脑机接口技术的出现。
脑机接口技术
2012年4月29日，香港特区政府新闻网发布消息称，香港中文大学日前成功研制出一个中文脑机接口系统，可将脑电波转换成繁体中文字。据报道称，全身瘫痪无法说话的病人只要戴上有16个接触面的无线脑电波接收器，面向计算机屏幕上的中文笔画输入接口，想着自己要写的笔画，接收器便能接收到指令，将中文写出来。研究团队表示，这个系统无疑比直接说话、手语或手写表达慢数十倍，然而对于严重瘫痪的病人来说，这个系统突破障碍，令他们可以表达自己，即使只是简单词组，已是难能可贵的突破。
脑机接口技术（Brain-computer Interface，BCI）就是美国西北大学生理学教授米勒研究中使用到的第二项技术。
这项形成于上世纪70年代的杂交技术，涉及神经学、心理认知科学、康复工程、生物医学工程和计算机科学等多学科，在过去的十多年间得到迅猛的研究发展，使得人类利用脑信号同计算机或其他装置进行通讯成为可能。
BCI技术的独特之处在于，不依赖于大脑的正常输出通路（即外围神经核肌肉组织），就可以实现人脑与外界，如计算机或其它外部装置的直接通信。
BCI技术的本质是提取和翻译神经细胞的活动。它一方面能够让大脑发出指令，控制计算机或者智能假肢，另一方面，它也能让我们直接解读神经活动的部分信息，通过图像、声音的形式反馈给使用者。
研究者发现，要想实现BCI，有三个必要的条件：第一，必须有一种能够可靠反映大脑思维的信号；第二，这种信号能够被实时且快速地收集；第三，这种信号有明确的分类。目前，大多数BCI研究机构采用的大脑信号是脑电图（Electroencephalographic，EEG）。
BCI技术的一个重要应用就是用于身体残缺者和瘫痪病人的运动控制恢复，使得通过意念实现人机交互。
对于那些神经阻断但肢体尚在或肌肉损伤瘫痪类残疾人，通过使用BCI直接控制其肌体肌肉或进行神经再恢复治疗，可以使其运动能力得到重建，进而实现肢体完成日常生活基本动作的目的。
神经假体装置
BCI为FES提供了一个非常好的操作界面，美国西北大学生理学教授米勒尝试着让两项技术联手，一个功能强大的神经假体装置由此诞生。这个装置由两部分构成，第一个是可直接植入大脑的多电极芯片，作为BCI，利用该芯片研究人员可以检测大脑100个脑细胞的活性，解码生成肌肉和手部运动的信号；第二个是一个EFS设备，可将电流传送至瘫痪肌肉，引起肌肉收缩。研究人员给两只猴子局部麻醉，阻断了手肘部的神经活动，引起暂时性手部瘫痪，在神经假体装置的帮助下，大脑芯片直接触发FES设备，绕过脊髓，实现了有意图的、大脑控制的肌肉收缩，恢复了瘫痪手部的运动，瘫痪的猴子可以接近常规的方式拾起和移动小球。实际上，早在2008年，基于BCI与FES技术结合、相似的神经假体装置就已经出现。
美国华盛顿大学菲兹（Eberhard Fetz）博士领导的一个研究小组将神经元活动与一个FES设备连接起来。猴子们学会了激活单个神经元来调控FES设备，移动操纵杆，使得从前与腕部无关的神经元适应完成任务。
同年，美国匹兹堡大学的实验人员将一个微电极阵列植入猴脑的运动区，采集多个神经细胞的放电信号，经过计算机的实时处理，转换成电动假肢的控制命令。经过一段时间的训练，猴子学会了用自己的大脑神经信号直接控制假肢的运动，抓取食物喂到自己的嘴里。这项在当时令瘫痪康复领域振奋的研究成果登上了当年的《自然》杂志。
清华大学生物医学工程系、神经工程研究所专家洪波对此研究曾撰文分析，匹兹堡大学的这项研究是过去十多年来这一领域研究成果的一次整合。虽然从基本原理上并没有显著创新，但它首次实现了大脑直接控制假肢与身体其他部分配合，完成一个生物意义上的功能性动作――抓取食物，这比以往的研究又前进了一大步。而美国西北大学生理学教授米勒的最新研究超越了此前的研究成果。米勒教授在论文中写道，“利用这些神经工程学方法，我们可以了解大脑的一些重要生理学基础，并利用它直接将大脑与肌肉连接起来。这一从大脑到肌肉的连接或许有一天可用于帮助因脊髓损伤导致的瘫痪患者完成日常活动，获取更大的独立性。”米勒的研究成果进一步推动了先进神经假体装置的测试和开发。
美国国立卫生研究所神经疾病和中风研究所项目主管陈道芬（Daofen Chen）博士表示，该领域的研究人员正在朝着超越简单手臂运动，实现精细手部和手指运动的设备努力，米勒的研究突破了神经假体装置在抓握物体时所需的复杂手部和手指运动。但米勒教授也审慎地指出，当前研究中采用的暂时神经阻断无法重复长期大脑和脊髓瘫痪损伤后出现的慢性变化，因此在长期瘫痪的灵长类动物模型中检测这一系统显得格外重要。不管怎样，米勒已经为脊髓损伤的瘫痪病人推开了一扇窗，只要大脑中神经细胞还能放电，意念取物、恢复运动能力就不再只是梦想。