2024年03月05日发布 | 753阅读
颅脑和脊柱畸形

脑-脊髓接口通过“数字桥梁”让瘫痪者重新站立和行走

胡柯嘉

上海交通大学附属瑞金医院

寿佳俊

复旦大学附属华山医院

达人收藏、周刊收录2项荣誉




































































































































来自瑞士洛桑大学附属医院临床神经科学系的Grégoire Courtine团队在大脑和脊髓之间建立了“数字化桥梁”脑-脊髓接口(Brain-spine interface,BSI),建立了皮层信号和硬膜外电刺激的之间的直接联系,可在几分钟内完成校准,患者能够通过意志控制肌肉活动,在社区环境中实现自然站立和行走,并能维持一年以上的可靠和稳定运行,研究结果于2023年5月在线发表在《Nature》上。


——摘自文章章节

REF: Henri Lorach, et al. Nature. 2023;618(7963):126-133. doi:10.1038/s41586-023-06094-5


研究背景




大脑向位于腰骶脊髓的神经元传递执行指令以实现行走功能,尽管大多数脊髓损伤并不直接损伤这些神经元,但下行通路的破坏中断了这些神经元接收产生行走所必需的脑源性指令,造成永久性瘫痪。研究表明,靶向腰骶脊髓单个背根进入区的硬膜外电刺激能够调节特定的腿部运动,反过来,编程激活序列可能恢复脊髓损伤所致瘫痪患者的站立和基本行走。但是这种恢复需要可穿戴的运动传感器从残余运动或补偿策略中检测运动意图,再启动预编程的刺激序列,因此步行的控制并不是完全自然的,且对患者适应性要求较高。


来自瑞士洛桑大学附属医院临床神经科学系的Grégoire Courtine团队在大脑和脊髓之间建立了“数字化桥梁”脑-脊髓接口(Brain-spine interface,BSI),建立了皮层信号和硬膜外电刺激的之间的直接联系,可在几分钟内完成校准,患者能够通过意志控制肌肉活动,在社区环境中实现自然站立和行走,并能维持一年以上的可靠和稳定运行,研究结果于2023年5月在线发表在《Nature》上。


研究方法



这套脑-脊髓接口包括一个植入在患者皮层的记录系统,一个植入椎管硬膜外的刺激系统,以及连接两者的患者背负的一个便携基站。记录系统使用了Wimagine技术通过两块8x8的网格电极监测来自感觉运动皮层的皮质电图信号(ECoG),系统的几何学设计决定了电极网络与硬脑膜之间能够形成封闭而又稳定的联系,电极嵌入在钛金属外壳内,厚度与颅骨相同,植入完成后外观与正常人无异。外置的两个天线,一根为植入设备供电,一根实时将ECoG信号传输到背负的便携基站进行处理。解码的信号转换为刺激信号,输送到植入背根神经节的脉冲发生器,研究者也可以使用无线通讯对硬膜外电刺激。研究中的被试者来源于STIMO-BSI临床试验,该患者接受了植入脑-脊髓接口的神经外科手术,接着研究者对该患者运动意图的ECoG记录进行特征选择,同时分别记录了髋、膝、踝等不同部位移动时的信号,并对其空间、光谱和时间特征加以区分,从而构建有针对性的硬膜外电刺激程序库。随后,作者利用算法模型配制,实现了BSI的自适应在线校准,并从多个维度对这一程序进行了验证。通过上述工作,研究者实现了皮质活动转化为硬膜外电刺激程序的模拟调制,从而恢复患者的站立和行走,并能克服在面对复杂场景时的一些困难,如爬楼梯和过障碍物等。BSI具有长时程的稳定性,可维持一年且刺激阈值不发生变化。更令人惊喜的是,BSI支持的神经康复能促进感觉、知觉和运动技能方面的神经修复,即使在BSI关闭的情况下,患者也能重新掌握用拐杖在地面行走的能力,这是其试验前从未做到的。


图1. BSI的设计、技术和植入。a、由64个电极组成的两个皮质植入物硬膜外定位在感觉运动皮质上,收集ECoG信号。一个处理单元预测运动意图,并将这些预测转化为靶向腰骶脊髓背根进入区的硬膜外电刺激程序的调控。通过与16电极板电极导线连接的植入式脉冲发生器传递刺激。b、报告皮质植入物位置术前计划和术后确认的图像。L,左;R,右。c、个性化计算模型预测的最佳定位导致靶向与下肢肌肉相关的背根进入区,并术后证实。


研究结论



研究者总结认为,该数字桥梁BSI能恢复瘫痪后运动的长时程自然控制,并有利于患者的神经恢复。大脑和脊髓之间的数字桥梁的概念也许预示着治疗神经系统疾病所致运动缺陷的新纪元。

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