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从瘫痪到行走:脑脊接口研究的发展之路

作者:脑机接口社区 2025/01/19 09:40


在科技飞速发展的今天,人类对于自身大脑和神经系统的探索从未停止。脑脊接口技术,作为神经科学领域的一颗璀璨新星,正逐渐展现出巨大的潜力。脑脊接口技术通过在大脑与脊髓之间搭建一条“信息高速通道”,能精准捕捉大脑神经电信号,经解析后以电刺激形式传至脊髓,从而使因脊髓损伤失去行动能力的患者重新站起来,自由行走,为瘫痪等神经系统疾病患者带来重新行走、恢复自主生活能力的希望。

在脑脊接口领域做出开创性贡献的是瑞士洛桑联邦理工学院Grégoire Courtine和洛桑大学医院神经外科Jocelyne Bloch团队。该团队对脑-脊髓间连接的探索始于Courtine在博士期间对与行走相关脑信号的探索,在多年对沿脊髓发送的电信号类型及其排列方式进行研究后,其于2012年发表在《Science》上的论文,通过电化学脊髓神经假体使瘫痪性脊髓损伤的大鼠实现了自主运动控制。在这一研究的基础上,Courtine和Bloch团队研发了用于灵长类动物的脑脊接口,通过在腿部区域运动皮层植入的微电极阵列和在脊柱中植入的脊髓刺激系统,实现了大脑与脊髓的通信,将刺激由被动变为主动,相关成果于2016年发表在《Nature》。

 图1:用于灵长类动物的脑脊接口示意图

在前期动物实验研究的基础上,Courtine和Bloch团队也积极开展了在人体上的研究。2018年,该团队在《Nature》上发表的论文提出了能帮助脊髓损伤患者恢复行走能力的靶向神经调控技术。得益于这一临床突破,他们于2022年研发出了由人工智能软件控制的个性化脊髓电刺激电极,通过电刺激激活躯干和腿部肌肉的脊髓区域帮助3名完全瘫痪的脊髓损伤患者恢复了独立运动能力;同年,通过单核RNA测序和空间转录组学技术,该团队进一步确定了对瘫痪后恢复行走能力起关键作用的神经元,揭示了腰椎时空硬膜外电刺激(EES)治疗瘫痪的神经机制,上述成果分别发表于《Nature Medicine》和《Nature》。

 图2:帮助脊髓损伤患者恢复行走能力的靶向神经调控技术示意图


基于前述研究成果,Courtine和Bloch团队于2023年5月在《Nature》上报道了首个应用于人体的脑脊接口,该接口采用两个分别植入大脑和脊髓的无线通信设备,将运动意图相关的皮质活动转换为硬膜外电刺激程序的模拟调制,以调节下肢肌肉激活,帮助脊髓损伤导致的瘫痪患者恢复站立和行走。此外,这种基于刺激训练的康复方法实现了脊髓损伤部位神经突触重塑,患者在没有刺激的情况下对瘫痪肌肉的控制能力得到了显著提高。

 图3:应用于人体的脑脊接口示意图


Courtine和Bloch团队目前仍在脊髓损伤后康复领域进行着不懈努力,其于2024年12月2日发表于《Nature Medicine》的最新成果显示,对下丘脑进行深部脑刺激可以增强脊髓损伤后的行走能力。这一成果表明,下一代脑脊接口或许可以朝着大脑、脊髓双刺激的方向发展,帮助进一步改善行走功能。

 图4:对下丘脑外侧部进行深部脑刺激可改善脊柱损伤患者的行走能力


我国的脑脊接口技术发展也于日前取得了突破性进展。复旦大学类脑智能科学与技术研究院青年副研究员加福民团队研发了“高精准、高通量、高集成、低延时”的新一代脑脊接口。不同于Courtine和Bloch团队在左右侧运动皮层和脊髓的多设备植入模式,加福明团队提出了“三合一”的系统设计方案,将三台设备集成为一台颅骨植入式微型设备,在减小患者术后创口的同时,实现了运动意图信号采集与脊髓刺激的一体化。该方案将解码过程由体外转入体内,提高了脑电信号采集的稳定性和效率,可实现百毫秒级别的解码速度和刺激指令输出,以帮助脊髓损伤患者实现更加自然的行走步态控制。上述研究的相关项目“植入式脑脊接口关键技术与系统研制”于2024年9月24日获得了2024年全国颠覆性技术创新大赛优胜奖,是此次全国脑机接口领域仅有的两个获奖项目之一。目前,相关产品样机已迈入临床验证阶段。这一成果为我国脑脊接口技术的蓬勃发展注入了澎湃动力,为康复医疗应用开辟了更为广阔的前景。

参考来源:
https://www.science.org/doi/10.1126/science.1217416
https://www.nature.com/articles/nature20118#MOESM89
https://www.nature.com/articles/s41586-018-0649-2
https://www.nature.com/articles/s41591-021-01663-5
https://www.nature.com/articles/s41586-022-05385-7
https://www.nature.com/articles/s41586-023-06094-5
https://www.nature.com/articles/s41591-024-03306-x
https://news.fudan.edu.cn/2024/1006/c31a142416/page.htm

文章来源:

杨惠  博士研究生  

浙江大学


魏依娜  教授  

康复医学脑机接口技术与装备浙江省工程研究中心管理委员会副主任

之江实验室研究员

来源: 康复脑机接口浙江省工程中心

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