Nature：瘫痪的运动奇迹

生物通报道  近日来自美国西北大学的研究人员借助大脑与肌肉的一个人造连接成功地使瘫痪猴子恢复了复杂的手部运动能力。相关研究论文发布在4月18日的《自然》（Nature）杂志上。

在这篇文章中，研究人员描述了他们如何结合两种技术生成了一个神经假体装置，该设备取代了丧失或损伤的神经系统功能。第一个是可直接植入大脑的多电极芯片，作为脑机接口（BCI）。利用该芯片研究人员可以检测大脑100个脑细胞的活性，解码生成肌肉和手部运动的信号。第二个是一个功能性电刺激（FES）设备，可将电流传送至瘫痪肌肉，引起肌肉收缩。大脑芯片直接触发FES设备，绕过脊髓，实现了有意图的、大脑控制的肌肉收缩，恢复了运动。

领导这一研究的是西北大学范伯格医学院生理学教授Lee E. Miller博士。在测试神经假体装置前，Miller研究小组记录了两种健康猴子在完成伸手、握球和扔球等任务时的大脑及肌肉活动。随后研究人员利用来自大脑控制FES设备的数据确定了通过大脑活动预测肌肉活动的模式。

为了检测这一设备，研究人员给予猴子麻醉剂局部阻断了手肘部的神经活动，引起了暂时性的手部瘫痪。在神经假体装置的帮助下，两只猴子均恢复了瘫痪手部的运动，可以接近常规的方式拾起和移动小球，并完成与之前相同的任务。

Mille研究小组还对猴子进行了握力检测，发现他们的系统修复了猴子的精确抓握能力。并允许对力量和握力进行随意和有意的调整，这对于自然和成功地执行每天的任务至关重要。

新研究超越了此前Miller研究小组的成果，他们证实一种相似的神经假体装置可恢复瘫痪猴子屈伸腕部的能力。“利用这些神经工程学方法，我们可以了解大脑的一些重要生理学基础，并利用它直接将大脑与肌肉连接起来。这一从大脑到肌肉的连接或有一天可用于帮助因脊髓损伤导致的瘫痪患者完成日常活动，获取更大的独立性。”

2008年，华盛顿大学的Eberhard Fetz博士领导的一个研究小组将神经元活动与一个FES设备连接起来。猴子们学会了激活单个神经元来调控FES设备，移动操纵杆，使得从前与腕部运动无关的神经元适应完成任务。这些研究人员认为这种学习和适应的过程对BCI转换大脑活动模式自适应控制FES设备起重要的作用。

在本研究中这种联合动物的独特球握放任务设计进一步推动了先进神经假体装置的测试和开发。美国国立卫生研究所神经疾病和中风研究所项目主管Daofen Chen博士描述了该领域的研究人员正如何朝着超越简单手臂运动，实现精细手部和手指运动的设备所做出的努力。“我们在重点研究手臂和腕部运动的神经调控的非人类灵长类动物研究中收获良多。Miller博士的研究基于这些成果，侧重研究了抓握物体时所需的复杂手部和手指运动，”Daofen Chen说。

FES设备当前被用于治疗中风或脊髓损伤患者的足下垂，当行走时会导致绊倒和跌倒。FES设备可以被鞋传感器激发，协调行走运动，刺激肌肉，在每一步的适当时间抬脚。

目前在临床上 其他的一些FES设备利用的是患者残余的肌肉活动。例如一个假肢可利用装入肩膀的传感器，感知耸肩运动，再利用它刺激肌肉打开或合拢手部。然而这种控制方法不太精确，也不自然。不适合有高位脊髓损伤和少或无肩部及手臂运动的患者。对于这些患者，构建出大脑控制的FES设备将大脑运动直接连接到肌肉刺激上将提供恢复手部功能机会

Miller博士审慎指出当前研究中采用的暂时神经阻断是一种有用的瘫痪模型但它无法重复长期大脑和脊髓损伤后发现的慢性变化。他认为下一步应在长期瘫痪的灵长类动物模型中检测这一系统，研究持续使用这一神经假体装置的大脑改变。

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文摘要：

Restoration of grasp following paralysis through brain-controlled stimulation of muscles

Patients with spinal cord injury lack the connections between brain and spinal cord circuits that are essential for voluntary movement. Clinical systems that achieve muscle contraction through functional electrical stimulation (FES) have proven to be effective in allowing patients with tetraplegia to regain control of hand movements and to achieve a greater measure of independence in daily activities1, 2. In existing clinical systems, the patient uses residual proximal limb movements to trigger pre-programmed stimulation that causes the paralysed muscles to contract, allowing use of one or two basic grasps. Instead, we have developed an FES system in primates that is controlled by recordings made from microelectrodes permanently implanted in the brain. We simulated some of the effects of the paralysis caused by C5 or C6 spinal cord injury3 by injecting rhesus monkeys with a local anaesthetic to block the median and ulnar nerves at the elbow. Then, using recordings from approximately 100 neurons in the motor cortex, we predicted the intended activity of several of the paralysed muscles, and used these predictions to control the intensity of stimulation of the same muscles. This process essentially bypassed the spinal cord, restoring to the monkeys voluntary control of their paralysed muscles. This achievement is a major advance towards similar restoration of hand function in human patients through brain-controlled FES. We anticipate that in human patients, this neuroprosthesis would allow much more flexible and dexterous use of the hand than is possible with existing FES systems.