Nature：利用無線神經介面讓癱瘓的猴子恢復腿部運動

2016年11月11日/生物谷BIOON/--一個國際科學家小組利用一種無線的「腦-脊髓介面」來繞過一對恆河猴體內的脊髓損傷部位，讓一隻暫時癱瘓的腿部恢復有意識的行走運動。研究人員說，這是一種神經義肢首次被用來直接恢復非人靈長類動物的腿部行走運動。相關研究結果於2016年11月9日那期在線發表Nature期刊上，論文標題為「A brain–spine interface alleviating gait deficits after spinal cord injury in primates」。

這項研究是由來自瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）、美國布朗大學、美敦力公司（Medtronic）和德國Fraunhofer ICT-IMM的科學家們和神經工程師們開展的。他們的研究建立在布朗大學和合作研究機構開發的神經技術之上，並且在法國波爾多大學、Motac神經科學公司（Motac Neuroscience）和洛桑大學醫院的合作下開展測試。

論文共同作者、布朗大學工程學助理教授David Borton說，「我們開發出的這種腦-脊髓介面系統利用從大腦運動皮質中記錄到的信號促使脊髓中負責運動的神經遭受協調性電刺激。當這種系統開啟時，在我們研究中使用的這些動物擁有幾乎正常的運動。」

這項研究可能有助為脊髓損傷患者開發一種類似的系統。

Borton說，「有證據提示著一種大腦控制的脊髓刺激系統可能增加脊髓損傷後的康復。這是為進一步測試這種可能性而邁出的一步。」

論文通信作者、EPFL教授Grégoire Courtine在瑞士開始進行臨床試驗來測試這種腦-脊髓介面的脊髓部分。他提醒道，「仍然存在很多挑戰，而且在這種介面的所有組分能夠在人體進行測試之前，可能還需幾年的時間。」

重新建立通信

通過大腦和脊髓中的神經元之間發生複雜的相互作用，行走就有可能實現。起源自大腦運動皮質的電信號向下傳遞到下部脊髓的腰部，在那裡，它們激活協調負責伸展和彎曲腿部的肌肉移動的運動神經元。

上部脊髓遭受的損傷能夠切斷大腦和下部脊髓之間的通信。運動皮質神經元和脊髓神經元可能是功能完全性的，但是它們不能夠協調它們的活動。這項研究的目標就是重新建立一些這樣的通信。

這種腦-脊髓介面使用一種藥丸大小的植入到大腦中的電極陣列來記錄來自運動皮質的信號。這種感測器技術是由BrainGate合作團隊開發的，部分上是為了在人體內進行試驗性使用。BrainGate合作團隊包括布朗大學、凱斯西儲大學、麻省總醫院、普羅維登斯退伍軍人醫療中心和斯坦福大學。這種技術正被用於進行中的臨床預試驗，而且在此之前已被用於由布朗大學神經工程師Leigh Hochberg領導的一項研究---四肢癱瘓患者只需僅僅認為是在移動他們自己的手而能夠操作機械手臂---中。

在布朗大學Arto Nurmikko教授神經工程實驗室中，由包括Borton在內的一個團隊開發出的一種無線神經感測器無線地發送由腦晶元收集的信號到解碼它們的計算機中，而且無線地將它們發送回到一種植入到損傷部位下方的腰椎中的電脊髓刺激器。這種電刺激在具有解碼功能的大腦的協調傳送下給控制運動的脊髓神經發送信號。

為了對腦信號的解碼進行校準，研究人員將這種腦感測器和無限傳送器植入到健康的恆河猴體內。這種感測器傳遞的這些信號隨後能夠被映射到這些猴子的腿部運動上。他們證實這種解碼器能夠準確地預測與腿部肌肉的伸展和彎曲相關聯的大腦狀態。

Borton說，無線傳遞腦信號的能力對這項研究而言是至關重要的。有線的腦感測系統會限制運動的自由度，而這接著會限制研究人員能夠收集關於運動的信息。

Borton說，「無線地做到這一點能夠讓我們映射正常情形下和在自然的行為期間時的神經活動。如果我們真地想要開發有朝一日能夠被部署來幫助日常生活活動期間的病人的神經義肢（neuroprosthetics），那麼這樣的無線記錄技術將是至關重要的。」

研究人員將他們對腦信號如何影響運動的理解與Courtine實驗室開發的脊髓圖結合在一起，其中Courtine實驗室鑒定出脊髓中負責運動控制的神經熱點。這能夠讓他們鑒定出應當被這種脊髓植入物激活的神經迴路。

研究人員隨後在兩隻讓胸椎中的一半脊髓遭受損傷的恆河猴體內測試了這整個系統。遭受這種損傷的猴子一般需要大約一個月的時間重新獲得對一隻受影響的腿部的功能性控制。他們在這種損傷發生幾周內---那時仍然不能夠對這隻受影響的腿部進行意志控制---測試了這種系統。

這項研究表明當啟動這種系統時，這些猴子在跑步機上進行行走時會開始自動地移動它們的一隻腿部。當與作為對照的健康猴子進行運動比較時，研究人員發現這些遭受損傷的猴子在腦控制的電刺激下，能夠產生將近正常的運動模式。

限制和未來的研究

儘管證實這種系統在非人靈長類動物體內發揮作用是一個重要的步驟，但是研究人員強調還必需開展更多的研究方能在人體內開始測試這種系統。他們也指出這項研究存在的幾個限制。

比如，儘管在這項研究中使用的這種系統成功地傳遞來自大腦的信號到脊髓中，但是它缺乏將感覺信息傳回到大腦中的能力。研究人員也不能夠測試這些猴子能夠施加多大的壓力到它們的這隻受影響的腿部。儘管明顯地，下肢能夠承受一些體重，但是對這項研究而言，並不清楚的是，它能夠承受多少體重。

Borton說，「在一項完整的轉化研究中，我們想要對猴子在行走期間獲得多大程度的平衡進行更多的定量測定。」

儘管存在這些限制，但是這項研究為未來在靈長類動物中開展進一步研究和在某種程度上潛在地作為人體的一種康復設備奠定基礎。

Borton說，「神經科學上存在一句格言：一起放電的神經迴路串連在一起（circuits that fire together wire together）。在這項研究中，我們的觀點是通過讓大腦和脊髓連接在一起，我們可能能夠增強康復期間的神經迴路生長。這是這項研究的主要目標之一，而且總體上也是這個領域的一個目標。」（生物谷 Bioon.com）

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A brain–spine interface alleviating gait deficits after spinal cord injury in primates

Marco Capogrosso,

Tomislav Milekovic,

David Borton,

Fabien Wagner,

Eduardo Martin Moraud,

Jean-Baptiste Mignardot,

Nicolas Buse,

Jerome Gandar,

Quentin Barraud,

David Xing,

Elodie Rey,

Simone Duis,

Yang Jianzhong,

Wai Kin D. Ko,

Qin Li,

Peter Detemple, Tim Denison,

Silvestro Micera,

Erwan Bezard,

Jocelyne Bloch

& Grégoire Courtine

doi:10.1038/nature20118

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