脊髓刺激恢复三只猴子瘫痪上肢运动能力 匹兹堡团队设计新型刺激系统

长久以来，瘫痪是困扰医生和患者的全球性难题。瘫痪后，患者通常会出现一块或多块肌肉、肌肉群或四肢自主运动能力下降或丧失，或表现为上下运动神经元麻痹，无法伸展手臂抓取东西，或者下肢无法行走等等。

据统计，仅在美国就有600万左右瘫痪患者，现阶段还没有有效的治疗方法。当前，常见的治疗方式包括手术治疗、细胞移植、康复治疗、电刺激等，其中脊髓电刺激治疗被视为是一种极具潜力的手段。

近日，匹兹堡大学的研究团队通过脊髓电刺激恢复了3只猴子部分瘫痪的手臂运动能力。在研究中，研究人员开发了一种可以连接大脑和脊髓健康神经的技术，利用外部电刺激控制手臂肌肉。首批临床前研究数据已发表。

根据论文描述，他们的神经接口利用背根的功能组织，在适当的运动阶段通过电刺激将人工兴奋传递到相关的脊柱节段。针对特定脊柱节段的刺激能够产生手臂持续运动的脉冲，使手臂麻痹的猴子能够执行伸手和抓握任务。

背根神经节是各椎间孔内侧面附近脊髓背根的膨胀结节，负责接收来自身体感受器的全部神经冲动。

论文中指出，这种电刺激的方式提高了运动的力量、任务表现和质量，其有效性和可靠性为临床转化工作提供了更多可能和希望。

论文通讯作者卡地格鲁尔现在是匹兹堡大学神经外科学系助理教授，脊髓刺激实验室主任。博士期间，重点关注可支持用于感觉和运动应用的外围和中枢神经接口设计的计算框架。此后他还在瑞士洛桑联邦理工学院从事博士后研究，开发能够恢复患有脊髓损伤动物和人类自主运动控制能力的脑脊髓接口。他实验室的研究方向包括构建电刺激的计算机模型、手臂麻痹、脊髓损伤以及神经假肢等。

值得一提的是，瑞士洛桑联邦理工学院的布洛克博士和格雷瓜尔·库尔蒂纳博士也参加了本次研究。2022年2月，他们利用一套由人工智能控制的个性化植入系统，通过硬膜外电刺激帮助脊髓损伤完全瘫痪患者在一天之内恢复行动能力。2014年，两人联合创办了一家专注于脊髓刺激技术ARC Therapy™的公司——Onward Medical，目前正在推进脊髓刺激技术真正走向临床治疗。

卡地格鲁尔博士

真正恢复上肢功能性运动并非易事

脊髓电刺激是卡地格鲁尔的重要研究方向之一，2012年7月他在洛桑联邦理工学院做访问博士生，2013年～2016年曾在洛桑联邦理工学院Grégoire Courtine实验室从事博士后研究。

2016年，卡地格鲁尔等开发了一套无线大脑和脊髓植入物，帮助脊髓损伤的猴子重新有能力控制瘫痪的四肢并再次行走。据悉，当时，这套系统是首个让瘫痪灵长类动物用大脑调节和控制四肢的设备。

当时研究人员披露，这一成就是神经假肢领域中最新成果，他们使用微型植入物解码来自大脑的信号并将其传递到身体的其他部位。

2018年，卡地格鲁尔参与了STIMO地面运动刺激研究系统的研究。这项研究基于脊髓神经重塑代偿原理，他们让慢性局部瘫痪受试者在接受一周治疗可以在地面行走，经过几个月的训练，即使没有电刺激，患者仍然能够控制瘫痪的腿部肌肉。

卡地格鲁尔同样参加了2022年的试验，即基于个性化脊髓电刺激功能替代设备，在1天内恢复完全瘫痪患者下肢运动功能。

可以看到，此前的试验主要集中于恢复猴子或者人体的下肢运动，本次研究的一个重要突破点在于实现了瘫痪上肢的行动能力。

在我们的生活中，中风和瘫痪患者最常面临的并发症是手臂和手部活动障碍，比如说难以弯曲手腕，完全无法移动手臂等等。通常情况下，即使手臂和手部功能的轻微障碍也会影响人们的生活，因此恢复上肢运动也被视为神经康复领域的重要焦点。然而，真正恢复手臂的功能性运动并非易事。

卡地格鲁尔在通稿中指出，手臂运动比腿部运动更复杂，通常下肢运动能力更容易在瘫痪后恢复，而恢复上肢的运动非常困难。“即使最简单的手臂运动，通常神经系统也必须协调数百块肌肉，且在实验室外，用直接电刺激肌肉激活取代这种复杂的神经控制非常困难。

李骁健此前也曾告诉生辉，下肢动作比较简单，控制很简单，通常控制6块主要肌肉群就能够做出各种动作。而上肢比较灵活，动作复杂，通过脊髓电刺激的方式调控上肢难度比较大。

恢复三只猴子瘫痪上肢部分运动能力，可即选即用

人体手臂瘫痪曾用的一种方式是电刺激，然而这种手术具有侵入性，需要复杂的机器学习软件来解码和翻译神经细胞的活动。卡地格鲁尔及其同事决定尝试另一种脊髓刺激的形式，观察这种方式能否更简单有效地恢复上肢运动，且无需计算机转换神经信号。

试验框架

他们首先对3只猴子的脊髓进行了几次核磁共振成像扫描，以此设计出一种专门针对灵长类动物颈部控制手和手臂运动脊髓神经的电极。然后，在全麻状态下通过手术使试验猴子左臂瘫痪，给这些猴子服用止痛药并从手术中恢复几天。紧接着，在猴子脖子上植入一个电极，刺激位于脖子底部——脊髓颈侧部分的神经。这就放大了瘫痪后幸存神经细胞产生的信号。

卡地格鲁尔博士在通稿解释道，我们没有刺激肌肉，而是通过设计一个更简化的系统。这一系统包括检测控制自主运动区域电活动的大脑植入物、小电极阵列植入物，这些电极会连接到一个橡皮擦大小的外部刺激器。电极和刺激器设计放置在从脊髓向手臂和手的肌肉延伸的神经根上，这通过计算算法和医学成像结合得到了广泛验证，以确保每只动物的独特结构与设备兼容。

该系统通过靶向电刺激损伤上脊髓中幸存的神经元，利用特定的刺激脉冲恢复大脑和手臂之间的连接，帮助手臂功能麻痹的人群部分恢复行动功能。比如说，当植入大脑处的电极检测到动物移动手臂的意图时，这些电极会根据这些指令立刻打开。

共同第一作者柯堤称，这一方案由简单的刺激模式组成，这些模式主要通过检测动物的移动意图开启。“我们无需知道动物想去哪里，我们只需要知道他们想要移动，并且提取这些相对简单的信息即可。”

他还提到，这种技术应该无创口，也几乎不需要培训患者即可使用，使用时和没受伤前一样。

为了测试这项技术，研究人员观察了一组猴子的试验，他们记录下，一只猴子无法用瘫痪的手臂够到物体，而另外两只猴子可以够到物体，但无法抓住或把这些东西拉到自己身边；开始刺激后，无法够到物体的猴子可以伸手拿到物体了，但无法抓住东西和把东西拉过来；在刺激一周后，另外两只猴子可以抓住或拉动物体；但是试验六周后，没有一只猴子能够控制自己的手指。

研究表明，这种刺激不足以完全恢复手臂功能，但刺激显著提高了运动的精确度、力量和范围，使每只猴子能够更有效地移动手臂。重要的是，随着猴子适应并学会如何使用刺激时，这些能力还会继续得到改善。

正在招募中风后瘫痪患者进行临床试验

在试验中，卡地格鲁尔也提到了这项技术应用于人体中的潜力，他认为当前这种刺激似乎还无法恢复写作或弹钢琴的能力。

不过，卡地格鲁尔对于这项技术未来在临床应用中的潜力仍然信心满满。他对外媒表示，这项技术恢复了3只猴子瘫痪上肢的行动能力，灵长类动物试验更接近人体，成功复制到人体的机率也更高。“我们知道这一技术很有可能在人身上起作用，它总有一天会在人身上发挥治疗作用。”

加州大学刘博士表示，这项研究很有意思，脊髓神经调节肯定会成为人类功能性神经恢复的重要策略。

论文的另一名共同第一作者卫拉也认为，与之前所做的事情相比，我们从不同、甚至更简单的角度解决一个非常复杂的临床问题，这为手臂和手部麻痹患者提供了更多临床治疗的可能性。

官方通稿提到，一项测试脊髓电刺激是否可以改善中风患者的手臂和手部瘫痪的临床试验正在匹兹堡大学招募受试者。文中还提到，大概几年后可以在人体中观察到试验结果。

据柯堤介绍，这项技术可以通过多种不同的方式在临床中实施，甚至可能不需要植入大脑。

多项瘫痪治疗方案计划推进临床试验

神经系统受损（尤其是脊髓部位）、中风、外伤以及多发性硬化症都可能会造成瘫痪。根据Christopher与Dana Reeve基金会的研究，在美国每50人就大约有1人罹患一定程度的瘫痪，大约有600万名患者。

虽然目前的治疗方法有限，但是潜在的新型治疗方式层出不穷，比方说新型注射疗法、干细胞治疗、脑机接口以及体内植入物刺激疗法。越来越多研究成果涌现的同时，研究人员也在积极探索应用场景，开展临床试验。

2021年11月，西北大学的科学家合成了带有两种促进神经再生的肽序列的“超分子肽原纤维支架”，这项新的可注射疗法，在仅对试验中的瘫痪小鼠的脊髓周围组织进行一次注射后，这些小鼠仅仅在4周后就恢复了行走的能力。研究人员认为这项研究具有一定应用潜力，并希望开发触发脊髓再生的疗法。

2022年2月，以色列特拉维夫大学Sagol再生生物技术中心发文称，在全球首次人工合成功能性3D人体脊髓组织，并将其植入慢性瘫痪小鼠中。研究发现80%的小鼠成功恢复了行走能力，该技术也有望让瘫痪者重新行走。当时，该团队表示正在准备临床试验，还落地了相关公司推进转化工作。

Grégoire Courtine等研究人员开发的个性化植入系统也计划在美国和欧洲推进大规模临床试验，Onward Medical进一步开展临床转化和商业化工作。