周伦 周伦

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8月11日,《自然》出版社旗下的《科学报告》【1】刊登了一项让人感到惊讶的研究,8名瘫痪多年的脊髓损伤患者,通过大脑控制机器训练,他们的下肢的肌肉功能和感知功能得到部分恢复。

 

脑机接口(brain-machine interfaces)
脑机接口(brain-machine interfaces)

这种训练通过脑机接口(brain-machine interfaces,也叫大脑端口)配合虚拟现实(VR)和机器外骨骼完成。整个过程大概是这样的,在佩戴这三种设备之后,患者通过虚拟现实场景想象行走过程,脑机接口在捕捉到神经信号之后,提取行走信号,指示机器外骨骼带着下肢做相应的动作。下面的视频展示了治疗的全过程【2】。

这项振奋人心的研究由美国杜克大学著名神经科学家Miguel Nicolelis领导,这项研究是巴西圣保罗「再次行走计划」(Walk Again Project)的一部分,这个计划旨在让那些因脊髓损伤和中风等原因导致瘫痪的患者,重新站立起来,并实现独立生活。

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Miguel Nicolelis教授和他的设备

「当我们开展这个项目的时候,我们没有预料到会有如此惊人的临床效果。我们的研究结果表明,瘫痪的患者利用脑机接口配合VR和外骨骼,经过一段时间的训练,可以提高他们下肢的活动和感知能力,甚至还会改善因瘫痪而导致的一些器官的功能(例如大便失禁等)障碍。直到现在为止,没有任何人能够让完全瘫痪多年的人重新活动起来。」来自巴西的杜克神经工程中心主任Nicolelis说。

在这项研究中,有一些患者在接受7个月的训练之后,就开始发生一些变化。一年之后,有4名患者下肢的感知能力和肌肉控制能力发生了显著变化,以至于医生把诊断结果从一年前的「完全瘫痪」改成「部分瘫痪」。

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佩戴脑机接口和VR的患者在学习配合使用训练设备【2】

大部分患者发现自己的膀胱控制能力和肠道功能得到改善,他们对通便剂和导管的依赖显著降低。Nicolelis说,这些改善可以降低瘫痪患者因感染而导致的死亡风险。

近年来研究人员开始利用脑机接口,在患者的大脑和电脑以及假肢之间建立联系。在过去的20年中,Nicolelis一直致力于建立并调教脑机接口,他已经记录了数百种大脑神经信号,从那些看似「杂乱无章」的信号里,他提取了控制行动的信号,并利用这些信号成功地在外骨骼上重现了相应的动作。

 

分析处理大脑信号【2】
分析处理大脑信号【2】

Nicolelis和他的同事坚信,通过每周的训练,那些因车祸、跌落等外伤导致瘫痪的患者的脊髓神经信号通路可以恢复。这也在本次研究中得到了证实,此次招募的志愿者中,有5名患者瘫痪5年以上,还有2名患者瘫痪超过10年。他们几乎都得到了较好的恢复。

尤其是那个瘫痪13年的32岁女患者,发生在她身上的变化可以用「戏剧性」来形容。在接受训练之前,即使给她提供支持工具,她也没办法站起来;在接受完整的训练之后,在支持工具和医师的帮助下,她竟然可以行走。到13个月的时候,在安全带的支撑下,她就可以自主地移动双腿。

 

训练中……
训练中……

Nicolelis说,「一项早期的研究发现,大部分瘫痪患者的部分脊髓神经是完好的,由于与大脑之间信号中断,那些神经就静静地躺在那里,通过脑机接口和外骨骼可以重新激活这些『沉睡』的神经。即使只有一小部分神经保持完好无损,通过这种训练,也可以使患者机体的部分功能得以恢复。」

截止目前,几乎所有参与到Nicolelis这项研究的志愿者都还在接受训练,他们接受训练的时间已经超过2年了。Nicolelis和他的同事正计划发表这些患者后续的研究数据。他们还打算在瘫痪时间非常短的患者身上开展临床研究,他们想了解如果快速地开展这种治疗是不是会使患者恢复的更好更快。

当然,考虑到在医院接受治疗的成本和便利问题,Nicolelis团队也在考虑开发一款可以在家使用的设备。

参考资料:

【1】Donati ARC, Shokur S, Morya E, Campos DSF, Moioli RC, et al. 2016. Long-Term Training with a Brain-Machine Interface-Based Gait Protocol Induces Partial Neurological Recovery in Paraplegic Patients. Scientific Reports 6:30383

【2】https://today.duke.edu/2016/08/paraplegics

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