牛过"奇异博士": 脊髓断"线" 电波搭"桥"

《奇异博士》里，“卷福”扮演的奇异博士是一名顶尖的神经外科医生，他曾拒绝了一名高位截瘫病人的求医，因为“不可...

《奇异博士》里，“卷福”扮演的奇异博士是一名顶尖的神经外科医生，他曾拒绝了一名高位截瘫病人的求医，因为“不可能恢复”。当他自己手部受伤无法再做手术，看到这个被他判了“死刑”的病人竟行走如常时大感震惊，这才启发他去拜访传说中的至尊法师寻找神奇力量。

截瘫的人能重新行走吗？连漫画世界里奇异博士这样的顶级高手都无能为力。然而，在11月9日，一项在线发表在《自然》杂志上的研究成果却使得这一愿景成为可能：科学家们开发出了一种无线的大脑与脊髓“接口”，从脑信号中分析运动意向，并将这一电信号绕过脊髓损伤的部位送达肌肉群，让一只瘫痪的猴子腿部有意识地行走。

这一神奇的技术究竟是怎么做到的，背后蕴含着哪些科学道理？更重要的，离应用在人类身上有多远？

指导专家：

陆永建 广州医科大学附属第二医院神经外科首席教授

“脑—脊髓接口”的实验对象是两只脊椎中段受伤导致右后腿无法动弹的残疾恒河猴。这些科学家们将如何让它们重新行走？

第一步是要从大脑中把运动信号提取出来。为了获取猴子大脑中的神经信号，他们在猴脑运动皮层当中插入了约药丸大小的100个电极阵列，用于探测猴脑运动皮层的活动，观察此块脑区中的所有信号。

但只是有信号还远远不够，还得明白这些信号与特定肌肉运动之间是什么关系。为此，研究者们用上了动作捕捉技术，将猴子的运动与脑部的电信号一一对应起来。

紧接着，脊髓神经元活动和特定肌肉运动之间的关系也按照同样的办法描绘起来。至此，两级神经元的信号与运动的关系就理清楚了。之后，这些被记录下来的所有神经元信息被输入计算机。有了这一神经信号与“图谱”，就可以对照来分析灵长类动物的运动意图了。

研究团队中的一个团队开发出了一种无线神经传感器，可以将脑部电极阵列收集的信号无线地发送到电脑上并进行解码，再无线地将它们发送到一种电脊髓刺激器，而这种电脊髓刺激器将植入到损伤部位下方的腰椎中。

为了验证这一套对脑信号的解码装置是否精准，研究人员事先将这种脑传感器和无线传送器植入到健康的恒河猴体内进行试验，证实了它们能够准确地预测大脑与腿部肌肉伸展弯曲之间的关联。

最后，研究者们在瘫痪猴子的腰椎脊髓内植入这种电刺激装置，这一装置能够刺激脊髓中控制右后腿运动的神经元，以产生意向中的腿部屈伸动作。

一切就绪，开关开启。猴脑中的电极阵列迅速记录下猴子脑部的神经信号，并将其无线传输到附近的电脑中，电脑分析出猴子的运动意图后，再把信号发送给末端脊髓内的电刺激装置，给予脊髓特定的刺激，来让下肢做出正确的动作。

实验结果令人欣慰：当刺激装置被关闭时，猴子的右后腿完全不能动弹，但是一旦开启刺激装置，猴子的右后腿可以活动并走动了！

科学家观测到，在受伤六天后猴子就能借助这一系统，勉强让残腿行走。虽然还有些踉跄，但利用这套系统，配上一定的训练可以让猴子大致恢复运动功能。

“有生以来第一次，我能想象完全瘫痪的病人，通过脑脊接口服从大脑的指令。”研究人员之一、瑞士洛桑沃州大学中心医院的Jocelyne Bloch对此项技术未来在人类身上的应用充满了期待。

与这项实验中的恒河猴类似，虽截瘫患者身上绝大多数的神经和肌肉都是完好的，只是脊髓受创使得来自脑部的神经信号无法送达肌肉，但全世界的科学家们目前都对截瘫几乎束手无策，无数的截瘫患者只能极为痛苦地度过余生，给家庭和社会都造成了不小的负担。

广州医科大学附属第二医院神经外科首席教授陆永建介绍，在中国有着数百万的截瘫患者，外伤、肿瘤、脊髓感染等原因都可能造成病人的双下肢瘫痪。其中，交通事故等外伤造成的严重脊髓损伤致残占很大比重。

此前，科学家们绞尽脑汁让损伤的脊髓重新“活过来”，尝试了神经干细胞、神经生长因子等多种方法，最终都收效不佳。陆永建说，一旦脊髓严重损伤，再生就很困难了，而再生后的神经纤维往下生长近1米的长度重新连通起来更是难上加难。

“就目前的医疗研究成果而言，脊髓再生几乎不可能达到。”他举例说，著名的体操运动员桑兰颈椎骨折，胸部以下高位截瘫，“很多人都研究过如何能够让她重新站起来，但都没有成功”。

也正是因为此，这项研究才获得了如此多的关注。

陆永建说，中国有着约数百万截瘫患者，这一技术若真能在人类身上应用，无疑将是截瘫病人的重大福音。

他认为，相较于四肢运动的猴子，人类对双下肢依赖更大，成功的难度无疑更大，但由于人的下肢主要由13组肌肉组成，并不算复杂，而且随着技术的发展，通过精准的电刺激使瘫痪病人“动起来”并非不能实现。他说，瘫痪病人如果能够简单翻身，能大大减少褥疮的发生率；如果能够简单站立行走，也大大提高了病人的自由度以及生活自理能力，大大减轻家庭和社会的负担。此外，瘫痪病人在一年内双腿肌肉能萎缩一半以上，而即使只是简单的运动，也有望大大减轻或延缓病人肌肉的萎缩。

不过，这一成果的取得，也只是万里长征开始的第一步。让瘫痪病人行走如常，恐怕也不是那么简单。一举手，一投足，对于人类来说是再自然不过的动作，然而这些简单动作内在的工作机制却非常复杂。

一个协调的行走动作，不仅仅需要脑信号“下行”指挥让肌肉动起来，还需要综合触觉、位置觉、平衡觉等多种信号的“回馈”。陆永建说，触觉反馈和位置感觉至关重要，它会告诉大脑怎样移动脚部，需要用多少力量。不然，患者既感觉不到自己在走路，也无法走得平衡。

但如果要让这些信号“上传”到大脑，就需要在每一个神经末梢安装传感器，这几乎是一个难以想象的巨大工程。此外，由于小脑也掌握着肢体的平衡，因此要行走如常的话，不仅需要提取大脑的运动信号，也需要提取小脑的脑信号，“操作起来就更困难了”。

即使只从大脑运动信号的传导来看，提取出大脑信号到达到双肢13组肌肉上时，每块肌肉应当如何分配力量？插入人脑运动皮层的电极数量是否能够承受？这些都是需要考虑的问题。

参与该项研究的科学家也指出，尽管这种系统成功地将来自大脑的信号传递到脊髓中，但是它缺乏将感觉信息传回到大脑中的能力。他们也不能够测试这些猴子能够施加多大的压力到它们受影响的腿部，也不清楚下肢能够承受多少体重。

而且，如果这一技术真的能够在人类身上实现，对于许多已经瘫痪了的人而言也已经“太迟”。陆永建指出，运动神经元的轴突终末与骨骼肌纤维连接的部位叫做运动终板，支配着肌纤维的收缩。“一般而言，运动终板在瘫痪后一年内基本废弃的可能性极大。”

他说，在该项实验中，作为实验对象的猴子脊柱刚受伤不久，神经纤维和运动终板仍运转正常，而假如运动终板完全萎缩，“再动起来就极其困难。”

不过，陆永建认为，虽然这一技术让截瘫病人重新行走还比较遥远，但在这一思路下，使用类似的方法控制相对简单的单一器官的功能说不定更加可行。

他举例说，假如有办法让传感器测量到膀胱里的压力，再将大脑的电信号作用传导下去，使膀胱括约肌等相关肌群舒张，即可实现自主小便。陆永建说，瘫痪病人若能自主小便，也已经是极大地改善了生活质量。

（详细报道见《南方日报》2016年11月）

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