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脑机接口帮助脊髓横断患者自然行走 精选

已有 3295 次阅读 2023-5-25 06:59 |系统分类:海外观察

瘫痪者自然行走,这要归功于大脑和脊柱之间的无线“桥梁”

Gert-Jan Oskam2011年失去了行走能力,当时他在中国的一次自行车事故中脊椎受伤。六年后,这位荷兰男子设法迈出了几步,这要归功于在他的脊髓顶部植入的一小阵列电极,这些电极提供了神经刺激的电脉冲。这个装置允许他走路,但这个过程很笨拙,有时令人沮丧。

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在《自然》杂志上,一个国际研究小组报告说,奥斯卡姆得到了更好的修复,一种以数字方式弥合大脑和下半身之间沟通鸿沟的方法。发出奥斯卡姆行走欲望信号的脑电波从植入颅骨的装置传播到脊柱刺激器,将信号重新路由到受损组织周围,并将电脉冲传递到脊髓以促进运动。奥斯卡姆现在可以更流畅地行走,穿越障碍物和爬楼梯。“以前的刺激控制着我,现在我控制着刺激,”他说。

这种新的脑-脊柱界面似乎也比单独的刺激更能促进恢复。奥斯卡姆在事故发生后保留了一些完整的脊髓连接,即使两个设备都关闭了,他也可以使用拐杖行走,这是他以前从未做过的事情。

脊髓刺激和大脑接口过去都曾被使用过,但它们从未以这种方式组合在一起,卫理公会康复中心的神经学家Keith Tansey说。从生物医学工程的角度来看,这是一次真正的巡回演出。但他和其他人,包括研究作者,强调重要的是要认识到这项研究是一个单一参与者的概念证明。其他脊髓损伤患者是否会看到相同的结果尚不清楚。

一些麻痹性损伤完全切断了脊髓,但更常见的是,大脑和下半身之间的连接仍然存在。几十年来,科学家们一直试图找到修复这些断裂的神经高速公路的方法。

这项新研究建立在洛桑瑞士联邦理工学院神经科学家Grégoire Courtine和洛桑大学神经外科医生Jocelyne Bloch的工作基础上。2018年,两人及其同事表明,脊柱刺激与强化训练相结合可以帮助部分瘫痪患者行走。奥斯卡姆是该试验的前三名参与者之一,他们每个人都在下半身保留了一些感觉。去年,研究人员报告说,刺激也适用于腿部没有感觉或运动的更严重受伤的人。

但是脊柱刺激有一些缺点。要开始行走或站立,用户必须手动激发信号,例如通过按下按钮。奥斯卡姆受伤后仍然可以抬起脚后跟,他脚上的传感器可以检测到这个微小的动作,启动刺激器。在那之后,诱导的运动是机器人和自动的——不受奥斯卡姆的意识控制。就其本身而言,脊柱刺激是有点傀儡表演,路易斯斯托克斯克利夫兰退伍军人事务医疗中心的生物医学工程师,MetroHealth System研究员Dennis Bourbeau说。

“我每走一步都感到有点压力,”奥斯卡姆说。“我必须及时跟上节奏,否则我不会迈出好一步。许多在日常生活中有用的动作——例如爬楼梯——都是遥不可及的。

新系统旨在使流程更加无缝。大脑接口由两个带有64个电极的阵列组成,每个阵列都嵌入在钛合金外壳中。它们通过手术嵌入颅骨中,头部两侧各一个,它们位于运动皮层顶部并捕获电信号。这些信号无线传输到耳机,然后传输到Oskam所穿背包中的笔记本电脑,在那里算法解码他的预期运动。然后,计算机将这些预测发送到刺激器,刺激器根据所需的运动提供不同的电脉冲模式。组合这些设备并非易事,因为“这些系统都不应该相互通信,”加州大学欧文分校的神经学家An Do说。

Oskam 的更新系统使他能够更精确地控制他的髋关节、膝关节和踝关节。经过40次训练,他可以走路,站立,甚至爬楼梯。即使设备关闭,这些好处似乎仍然存在,这表明他的大脑和下半身之间的联系可能已经加强。

“这还处于早期阶段,但作为人类概念的证明,我认为这是向前迈出的一大步,”杜克大学神经外科医生南丹·拉德(Nandan Lad)说。

多伦多大学神经外科医生迈克尔·费林斯(Michael Fehlings)表示,结果令人印象深刻,但目前尚不清楚哪些脊髓损伤患者可能会受益,以及他们可能会恢复多少功能。“这是1n,患者可能是经过非常仔细挑选的。

一些患者可能会因治疗的侵入性而拒绝。植入设备需要开放性脑部手术,这会带来风险。事实上,由于葡萄球菌感染,Oskam的一个大脑植入物必须在大约6个月后被移除。

研究人员表示,他们的下一步将是使这项技术不那么笨重。BlochCourtine共同创立了一家名为Onward的公司,该公司计划开发一个精简的,完全集成的系统。该团队还计划测试脑 - 脊柱界面是否可以帮助改善或恢复脊柱损伤较高的患者的上半身运动。

Fehlings渴望看到技术如何进步。“这是一个非常有趣的病例报告。这是一个美丽的工程,“他说。“但必须谨慎解释结果。

Paralyzed man walks naturally, thanks to wireless ‘bridge’ between brain and spine | Science | AAAS



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