Nature：利用无线神经接口让瘫痪的猴子恢复腿部运动

一个国际科学家小组利用一种无线的“脑-脊髓接口”来绕过一对恒河猴体内的脊髓损伤部位，让一只暂时瘫痪的腿部恢复有意识的行走运动。研究人员说，这是一种神经义肢首次被用来直接恢复非人灵长类动物的腿部行走运动。相关研究结果于2016年11月9日那期在线发表Nature期刊上，论文标题为“A brain–spine interface alleviating gait deficits after spinal cord injury in primates”。

这项研究是由来自瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）、美国布朗大学、美敦力公司（Medtronic）和德国Fraunhofer ICT-IMM的科学家们和神经工程师们开展的。他们的研究建立在布朗大学和合作研究机构开发的神经技术之上，并且在法国波尔多大学、Motac神经科学公司（Motac Neuroscience）和洛桑大学医院的合作下开展测试。

论文共同作者、布朗大学工程学助理教授David Borton说，“我们开发出的这种脑-脊髓接口系统利用从大脑运动皮质中记录到的信号促使脊髓中负责运动的神经遭受协调性电刺激。当这种系统开启时，在我们研究中使用的这些动物拥有几乎正常的运动。”

这项研究可能有助为脊髓损伤患者开发一种类似的系统。

Borton说，“有证据提示着一种大脑控制的脊髓刺激系统可能增加脊髓损伤后的康复。这是为进一步测试这种可能性而迈出的一步。”

论文通信作者、EPFL教授Grégoire Courtine在瑞士开始进行临床试验来测试这种脑-脊髓接口的脊髓部分。他提醒道，“仍然存在很多挑战，而且在这种接口的所有组分能够在人体进行测试之前，可能还需几年的时间。”

重新建立通信

通过大脑和脊髓中的神经元之间发生复杂的相互作用，行走就有可能实现。起源自大脑运动皮质的电信号向下传递到下部脊髓的腰部，在那里，它们激活协调负责伸展和弯曲腿部的肌肉移动的运动神经元。

上部脊髓遭受的损伤能够切断大脑和下部脊髓之间的通信。运动皮质神经元和脊髓神经元可能是功能完全性的，但是它们不能够协调它们的活动。这项研究的目标就是重新建立一些这样的通信。

这种脑-脊髓接口使用一种药丸大小的植入到大脑中的电极阵列来记录来自运动皮质的信号。这种传感器技术是由BrainGate合作团队开发的，部分上是为了在人体内进行试验性使用。BrainGate合作团队包括布朗大学、凯斯西储大学、麻省总医院、普罗维登斯退伍军人医疗中心和斯坦福大学。这种技术正被用于进行中的临床预试验，而且在此之前已被用于由布朗大学神经工程师Leigh Hochberg领导的一项研究---四肢瘫痪患者只需仅仅认为是在移动他们自己的手而能够操作机械手臂---中。

在布朗大学Arto Nurmikko教授神经工程实验室中，由包括Borton在内的一个团队开发出的一种无线神经传感器无线地发送由脑芯片收集的信号到解码它们的计算机中，而且无线地将它们发送回到一种植入到损伤部位下方的腰椎中的电脊髓刺激器。这种电刺激在具有解码功能的大脑的协调传送下给控制运动的脊髓神经发送信号。

为了对脑信号的解码进行校准，研究人员将这种脑传感器和无限传送器植入到健康的恒河猴体内。这种传感器传递的这些信号随后能够被映射到这些猴子的腿部运动上。他们证实这种解码器能够准确地预测与腿部肌肉的伸展和弯曲相关联的大脑状态。

Borton说，无线传递脑信号的能力对这项研究而言是至关重要的。有线的脑传感系统会限制运动的自由度，而这接着会限制研究人员能够收集关于运动的信息。

Borton说，“无线地做到这一点能够让我们映射正常情形下和在自然的行为期间时的神经活动。如果我们真地想要开发有朝一日能够被部署来帮助日常生活活动期间的病人的神经义肢（neuroprosthetics），那么这样的无线记录技术将是至关重要的。”

研究人员将他们对脑信号如何影响运动的理解与Courtine实验室开发的脊髓图结合在一起，其中Courtine实验室鉴定出脊髓中负责运动控制的神经热点。这能够让他们鉴定出应当被这种脊髓植入物激活的神经回路。

研究人员随后在两只让胸椎中的一半脊髓遭受损伤的恒河猴体内测试了这整个系统。遭受这种损伤的猴子一般需要大约一个月的时间重新获得对一只受影响的腿部的功能性控制。他们在这种损伤发生几周内---那时仍然不能够对这只受影响的腿部进行意志控制---测试了这种系统。

这项研究表明当启动这种系统时，这些猴子在跑步机上进行行走时会开始自动地移动它们的一只腿部。当与作为对照的健康猴子进行运动比较时，研究人员发现这些遭受损伤的猴子在脑控制的电刺激下，能够产生将近正常的运动模式。

限制和未来的研究

尽管证实这种系统在非人灵长类动物体内发挥作用是一个重要的步骤，但是研究人员强调还必需开展更多的研究方能在人体内开始测试这种系统。他们也指出这项研究存在的几个限制。

比如，尽管在这项研究中使用的这种系统成功地传递来自大脑的信号到脊髓中，但是它缺乏将感觉信息传回到大脑中的能力。研究人员也不能够测试这些猴子能够施加多大的压力到它们的这只受影响的腿部。尽管明显地，下肢能够承受一些体重，但是对这项研究而言，并不清楚的是，它能够承受多少体重。

Borton说，“在一项完整的转化研究中，我们想要对猴子在行走期间获得多大程度的平衡进行更多的定量测定。”

尽管存在这些限制，但是这项研究为未来在灵长类动物中开展进一步研究和在某种程度上潜在地作为人体的一种康复设备奠定基础。

Borton说，“神经科学上存在一句格言：一起放电的神经回路串连在一起（circuits that fire together wire together）。在这项研究中，我们的观点是通过让大脑和脊髓连接在一起，我们可能能够增强康复期间的神经回路生长。这是这项研究的主要目标之一，而且总体上也是这个领域的一个目标。”