突破!瘫痪患者成功恢复行走,Nature 最新研究迎来治疗新希望

突破!瘫痪患者成功恢复行走,Nature 最新研究迎来治疗新希望

非原创 作者:协和小卒 公号:丁香园神经时间 发布时间:2023-06-01 19:58 发表于浙江

原文地址:突破!瘫痪患者成功恢复行走,Nature 最新研究迎来治疗新希望

导读

脊髓损伤会破坏大脑与控制行走的脊髓区域之间的通信,导致瘫痪。之前恢复这类瘫痪患者运动能力的技术需要对脊髓区域进行电刺激,来实现站立和行走。然而,这不仅需要患者佩戴运动传感器,而且患者的腿部运动适应不断变化的地形和需求的能力也很有限。

2023 年 5 月 24 日,来自瑞士联邦理工学院等单位的研究团队在 Nature发表了题为 Walking naturally after spinal cord injury using a brain-spine interface 的文章。研究中报道了一种能恢复大脑和脊髓间通信的植入装置,能够帮助手臂和腿部瘫痪患者自然站立和行走。该装置还被发现能促进神经恢复,患者在植入装置关闭后仍能使用拐杖行走

该研究结果为恢复瘫痪后的自然运动控制搭建了一个框架。

[]

图片来源:Nature

主要研究内容

从大脑到脊髓的数字桥梁

为了建立这种数字桥梁,需要两种类型的电子植入物。一方面,他们在负责控制腿部运动的大脑区域上方植入了 WIMAGINE 设备,可以解码我们思考行走时大脑产生的电信号。另一方面,他们还在控制腿部运动的脊髓区域放置了一个连接到电极阵列的神经刺激器

基于自适应人工智能方法的算法,运动意图可以从大脑记录中实时解码。然后,这些意图被转换成脊髓的电刺激序列,进而激活腿部肌肉以实现所需的运动,从而使得脊髓损伤的瘫痪患者恢复站立和行走。这个数字桥梁可以无线操作,让瘫痪患者可以实现独立移动。

[]

图片来源:Nature

脑-脊髓接口(BSI)神经外科植入

在 STIMO-BSI 临床试验(NCT04632290)的背景下,他们招募了一名 38 岁的男性,他在十年前的一次自行车事故中遭受了不完全性颈椎(C5/C6)脊髓损伤。为了指导 BSI 的植入,他们制定了术前计划程序,以能够优化记录和刺激植入物在大脑和脊髓上的位置。

BSI 需要检测与移动左右下肢意图相关的神经特征。为了确定对移动下肢每个关节最敏感的皮质区域,他们获得了基于计算机断层扫描和脑磁图的解剖和功能成像数据,并将这些信息与解剖学限制相结合,以确定两个 ECoG 记录植入物的最佳位置,旨在解码左下肢和右下肢运动。

在 STIMO 临床试验期间,桨式导联被放置在腰椎根的背侧进入区,利用高分辨率结构成像的个性化脊柱模型确定导联的最佳位置,术中根据电生理记录优化最终位置。最终,与导线相连的可植入脉冲发生器被插入腹部皮下口袋。

[]

图片来源:Nature

设置皮质和脊柱植入物

BSI 的校准需要两个独立的程序来选择区分运动意图的 ECoG 记录的特征,并配置调节下肢肌肉特定集合的刺激程序。

第一个步骤包括提取与两个下肢每个关节的活动意图相关的 ECoG 信号的空间、频谱和时间特征。为此,参与者被要求在坐姿中尝试臀部、膝盖和脚踝的左右两侧运动,同时记录 ECoG 信号。这种映射能够识别捕捉到大量运动相关信息的电极、光谱特征和时间窗口;另一方面,上肢相关运动与通过位于植入物侧面的电极测量的 ECoG 信号的调制相一致,运动相关信息包含在 ECoG 信号的整个 β 和 γ 频段范围内。

第二个步骤包括配置刺激运动的方案。脊髓的硬膜外电刺激可以通过招募投射到这些运动池所在的脊髓区域的背根进入区来调节运动池的特定集合。反过来,优化的阳极和阴极配置可以将电场引导到背根进入区域的特定子集,以调节运动神经元池的明确集合。这一生理原理使每个关节的伸展和屈曲运动得以调节。

然后,他们将刺激幅度的模拟控制集成到算法中,参与者在不到两分钟的时间内就能够控制臀部肌肉的活动,产生扭矩,准确度为 97%

[]

图片来源:Nature

立即恢复自然行走

行走涉及明确的肌肉激活模式序列,支持重量接受、推进和左右下肢的摆动。这些序列与位于分离良好的腰骶脊髓区域内的运动池的激活相吻合。因此,他们在库中选择了针对与体重接受、推进和摇摆功能相关的肌肉的刺激程序,并将这些程序与解码概率联系起来,并校准了 BSI,使参与者能够控制刺激程序的相对振幅,以实现体重接受和摆动功能。

他们首先在站立时自愿抬高脚时测试 BSI,在仅仅 5 分钟的校准后,BSI 就可以支持对髋屈肌活动的持续控制,这使得参与者的肌肉活动比没有 BSI 的尝试前增加了 5 倍。此外,BSI 实现了连续、直观和稳健的行走控制

[]

图片来源:Nature

神经系统的恢复

临床研究旨在探讨 BSI 支持的神经康复是否进一步改善机体的神经恢复。在参加 STIMO-BSI 之前,参与者已经完成了临床试验 STIMO,这使他能够恢复对先前瘫痪肌肉的意志控制,并改善他的站立和行走功能。

经过三年只进行刺激的常规训练后,他已经达到了恢复的平台期。随后,参与者完成了 40 次神经康复疗程,包括 BSI 患者行走、BSI 患者单关节运动、BSI 患者平衡和标准理疗。这种神经康复方案在没有刺激的情况下显著改善了髋屈肌的意志控制和相关的髋屈运动,表现出感觉和运动评分的增加以及站立和行走能力的增强。

具体而言,参与者在所有常规临床评估中都表现出改善,并且这些改善也转化为生活质量的提高,例如在家里独立行走,或者和朋友站在酒吧里喝饮料。

[]

图片来源:Nature

结语

总的来说,该团队利用在大脑和脊髓之间创建了一个无线接口,称为脑-脊髓接口(BSI),能将大脑和参与行走的脊髓区域连接起来。它可以使脊髓损伤的瘫痪患者恢复对下肢运动的自然控制,使其能够在复杂的地形上站立和行走、爬楼梯

BSI 能在几分钟内完成校准,能维持一年以上的可靠和稳定运行。此外,该脑-脊髓接口支持的神经康复能促进神经修复,即使 BSI 关闭,患者也能重新掌握用拐杖在地面行走的能力

参与者 Gert-Jan 在一次自行车事故中脊髓损伤而导致瘫痪,该技术使他重新获得了对瘫痪双腿运动的自然控制,使他能够站立、行走,甚至爬楼梯。Gert-Jan 表示:「我已经恢复了与朋友站在酒吧里分享啤酒的乐趣,这种简单的快乐代表了我生活的重大变化。」

[]

本研究共同通讯作者 Guillaume Charvet 提到:「得益于基于自适应人工智能方法的算法,运动意图可以从大脑记录中实时解码。然后,这些意图被转化为对脊髓的一系列电刺激,进而激活腿部肌肉以实现预期的运动。我们开发的这个数字桥梁可以无线操作,允许病人实现独立活动。」

期待这一治疗方法有朝一日能够改善全世界成千上万瘫痪者们的生活!

本文首发:丁香学术

参考文献:

1. Lorach, H., Galvez, A., Spagnolo, V. et al. Walking naturally after spinal cord injury using a brain–spine interface. Nature (2023).

2. Rowald, A. et al. Activity-dependent spinal cord neuromodulation rapidly restores trunk and leg motor functions after complete paralysis. Nat. Med. 28, 260–271 (2022).

3. Kathe, C. et al. The neurons that restore walking after paralysis. Nature 611, 540–547 (2022).

本博客上的所有内容,除非特别说明,均为原创。对于非原创内容,我们已经尽最大努力标明作者和来源。这些内容的分享是出于教育、学术或研究的目的,并且不涉及任何商业利益。如果您是版权持有者,并且不希望您的作品在本博客上被分享,请与我们联系,我们将立即删除相关内容。谢谢您的理解和支持。
(0)
eason的头像eason
上一篇 2023 年 6 月 1 日 03:58
下一篇 2023 年 6 月 3 日 03:58

相关推荐

  • 远超时间窗,还要不要选择溶栓?

    远超时间窗,还要不要选择溶栓? 非原创 公号:丁香园神经时间 发布时间:2023-04-06 19:58 原文地址:远超时间窗,还要不要选择溶栓? 感谢 @苏大附一卒中中心 分享的病例: 患者:男,77 岁。 主诉:因「左侧肢体乏力 19 小时,加重 8 小时」入院。 简要病史:患者 8 月 7 日下午 2 点左右出现左侧肢体轻微无力感,未重视,8 月 8 …

    神经病学 2023 年 4 月 7 日
    500
  • ​分离性感觉障碍常见于哪些疾病?

    ​分离性感觉障碍常见于哪些疾病? 非原创 公号:丁香园神经时间 发布时间:2023-02-03 19:58 原文地址:​分离性感觉障碍常见于哪些疾病? 可引起分离性感觉障碍的疾病可概括为 6 s: 01. 脊髓空洞症(syringomyelia)和延髓空洞症(syingobul-bin) 脊髓空洞症常首先破坏脊髓后角或中央管,而表现为上肢或上胸部的一侧性或双…

    神经病学 2023 年 2 月 4 日
    500
  • 常用静脉泵入药物如何配置?走速多少?一张表总结!

    常用静脉泵入药物如何配置?走速多少?一张表总结! 非原创 作者:黄荣 公号:丁香园神经时间 发布时间:2023-05-20 19:58 发表于浙江 原文地址:常用静脉泵入药物如何配置?走速多少?一张表总结! 01 硝普纳 (50 mg/支) 示范配置:1 支 + 5% GS 50 mL; 示范走速:1 mL/h ,最大 42 mL/h; 常规用量:0.25 …

    2023 年 5 月 21 日
    400
  • 丁香园大咖时间之共话基层|医生招募

    丁香园大咖时间之共话基层|医生招募 非原创 公号:丁香园神经时间 发布时间:2023-08-25 19:58 发表于浙江 原文地址:丁香园大咖时间之共话基层|医生招募 招募 医生招募|《丁香大咖时间之共话基层》栏目 招募背景: 9 月 21 日是「世界阿尔茨海默病日」,《丁香大咖时间之共话基层》栏目现招募临床医生,与 AD 领域大咖线上面对面进行学术交流。 …

    2023 年 8 月 26 日
    200
  • 人民医院、中心医院新发布 827 个岗位,大专起投,部分入编

    人民医院、中心医院新发布 827 个岗位,大专起投,部分入编 非原创 公号:丁香园神经时间 发布时间:2023-08-24 19:58 发表于浙江 原文地址:人民医院、中心医院新发布 827 个岗位,大专起投,部分入编 今日丁香人才已为您优选最新人民医院、中心医院热招岗位,点击即可查看详情并投递**。 浙江地区急招岗位 杭州市富阳区第一人民医院 招聘岗位:神…

    2023 年 8 月 25 日
    300

发表回复

您的电子邮箱地址不会被公开。 必填项已用 * 标注

联系我们

400-800-8888

在线咨询: QQ交谈

邮件:admin@example.com

工作时间:周一至周五,9:30-18:30,节假日休息

关注微信