基于脑-脊髓接口的自然行走恢复：一项针对慢性四肢瘫痪患者的突破性研究

一、 研究团队、发表信息与学术背景

本研究的核心成果由Henri Lorach、Andrea Galvez、Grégoire Courtine、Jocelyne Bloch、Guillaume Charvet等来自瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）、洛桑大学医院（CHUV）、法国格勒诺布尔大学、CEA Leti Clinatec以及美国美敦力（Medtronic）等机构的科学家团队共同完成。该研究于2023年6月1日以题为《Walking naturally after spinal cord injury using a brain–spine interface》的原创研究论文形式，发表在顶级学术期刊《自然》（*Nature*）上。

该研究属于神经科学与神经工程学交叉领域，旨在解决脊髓损伤（SCI）导致的永久性瘫痪这一重大临床难题。脊髓损伤会中断大脑与负责产生行走功能的腰骶段脊髓之间的通信，导致运动指令无法下达。尽管此前的研究，包括该团队之前的工作，已经证明通过硬膜外电刺激（Epidural Electrical Stimulation, EES）靶向刺激脊髓特定区域可以恢复站立和基础行走能力，但这类方法通常依赖于可穿戴运动传感器来检测残存运动意图，控制方式不够自然，且患者适应复杂地形和自主调节步态的能力有限。

因此，本研究的目标是构建一个“数字桥梁”（digital bridge），即脑-脊髓接口（Brain-Spine Interface, BSI），旨在绕过损伤部位，直接、自然地将大脑的运动意图转化为对脊髓的精确电刺激，从而恢复瘫痪患者对站立、行走等动作的自然、自适应控制，并探索这种闭环神经调控对神经功能恢复的潜在促进作用。

二、 研究设计与详细工作流程

本研究是一项针对单一个体的可行性临床研究（STIMO-BSI临床试验，NCT04632290）。研究对象是一名38岁的男性，因自行车事故导致不完全性颈段（C5/C6）脊髓损伤已十年，处于慢性瘫痪期。他曾参与过前期的STIMO临床试验，通过硬膜外电刺激和康复训练已能借助助行器行走，但功能恢复进入平台期。

研究流程主要包括以下几个关键步骤：

1. 术前规划与神经外科植入：

   • 脑部植入物定位：由于患者体内已有不兼容MRI的脊髓刺激器，研究团队采用计算机断层扫描（CT）和脑磁图（MEG）进行术前功能成像。MEG用于识别患者尝试移动下肢各关节时大脑感觉运动皮层最活跃的区域，结合解剖学约束，最终确定了两个皮层记录植入物（WIMAGINE设备）在左右半球的最佳植入位置。
   • 脊髓刺激器植入：患者此前已在STIMO试验中植入了脊髓刺激系统。本研究利用其已有的植入式脉冲发生器（IPG，美敦力Activa RC）和16电极桨状导线（Specify 5-6-5）。导线的位置是通过个性化脊柱计算模型和术中电生理记录优化确定的，以靶向支配下肢肌肉的脊髓背根入口区。
   • 手术实施：在全身麻醉下，通过神经导航系统引导，进行了双侧颅骨环钻术，将两个WIMAGINE设备植入硬膜外，覆盖感觉运动皮层。脊髓刺激系统（IPG连接导线）已就位，IPG置于腹部皮下囊袋中。

2. 脑-脊髓接口系统的构成与校准：

   • 系统构成：BSI由两个完全植入式系统无线、实时连接而成。(a) 皮层记录系统：WIMAGINE设备（各含64个电极）记录皮层电图（ECoG）信号，通过头戴式天线无线传输至便携式基站和处理单元。(b) 脊髓刺激系统：升级后的IPG可接收无线指令，实时调整硬膜外电刺激的参数。处理单元运行解码算法，将ECoG信号转化为运动意图预测，进而生成刺激指令。
   • 皮层信号映射：让患者尝试进行双侧髋、膝、踝关节的运动想象，同时记录ECoG信号。通过分析信号的空间、频谱和时间特征，识别出与下肢运动意图最相关的电极、频段（主要位于β和γ波段）和时窗，建立了运动意图的解码特征集。
   • 刺激程序库配置：通过测试不同的电极配置（阳极/阴极组合）、频率和幅度，校准出一系列靶向特定肌肉群（如髋屈肌、膝伸肌等）的硬膜外电刺激程序。这些程序能够梯度式地调控目标肌肉的活动。
   • 接口在线自适应校准：核心是采用了一种递归指数加权马尔可夫切换多线性算法（REW-MSLM）。该算法包含一个“门控”模型（预测意图移动哪个关节的概率）和多个独立的“专家”模型（预测意图运动的幅度和方向）。算法能够在线、增量式地学习ECoG信号与运动意图之间的关系。校准过程快速，首次手术后会话中，患者在几分钟内就能通过BSI控制虚拟角色的髋关节运动，并在仰卧位下以97%的准确率控制髋部肌肉产生扭矩。最终，BSI实现了对双侧髋、膝、踝关节及休息状态共7种状态的渐进式控制，平均准确率达74%（远高于14%的随机水平）。

3. 功能测试与评估：

   • 自然行走恢复：将解码的“迈步意图”概率与靶向“承重”、“推进”、“摆动”功能的脊髓刺激程序幅度调制相连接。测试表明，BSI开启后，患者能实现连续、直观、稳健的行走控制；关闭BSI则立即无法迈步。与仅使用足部运动传感器触发预设刺激序列的模式相比，BSI控制下的步态特征更接近健康人。
   • 复杂地形导航：研究评估了BSI在日常复杂活动中的表现。患者能够在BSI辅助下轻松上下陡坡、跨越障碍物、攀爬楼梯，且所有这些任务使用同一套BSI配置即可完成，显示了其强大的适应性和可靠性。
   • 长期稳定性评估：在近一年的使用期内（包括家庭独立使用），监测了系统的稳定性。ECoG信号在植入后一个月过渡期后保持稳定，解码器性能长期可靠（例如，间隔两个月后，同一解码器对六关节的控制依然有效）。刺激程序的参数范围也保持稳定。

4. 神经康复与功能恢复评估：

   • 康复方案：患者完成了40次BSI支持的神经康复训练，包括BSI辅助行走、单关节BSI控制训练、平衡训练和标准物理治疗。
   • 评估方法：在BSI关闭状态下，采用国际标准的脊髓损伤神经学分类标准（ISNCSCI）、6分钟步行测试、10米步行测试、计时起立-行走测试、Berg平衡量表以及由盲法物理治疗师进行的观察性步态分析（OGA）等，量化评估患者的神经功能恢复情况。

三、 主要研究结果

1. BSI成功恢复了自然、自适应的行走能力：研究结果显示，BSI使患者能够自主决定何时启动、持续或停止行走，且未出现影响站立的误触发。在BSI辅助下，患者实现了在社区环境中的自然站立和行走，包括在平地、斜坡、楼梯和复杂路面上行走。与基于运动传感器的闭环刺激相比，BSI控制下的行走在运动学和肌肉活动模式上更接近生理状态。

2. BSI表现出高度的可靠性和长期稳定性：ECoG信号和解码器特征在长达一年的时间内保持稳定。刺激阈值和最佳刺激幅度范围也未随时间改变。这种稳定性使得患者能够在家中独立、长期地使用该系统。

3. BSI支持的神经康复促进了神经功能恢复：这是本研究的关键发现之一。尽管患者此前经过三年脊髓刺激康复已进入平台期，但经过BSI支持的40次康复训练后，其神经功能出现了进一步显著改善：

   • 运动评分提升：下肢运动评分有所增加。
   • 独立行走能力恢复：在BSI和刺激均关闭的状态下，患者恢复了使用拐杖在室内独立行走的能力（WISCI II评分从STIMO前的6分提升至STIMO-BSI后的16分）。
   • 临床测试指标全面改善：6分钟步行距离、负重能力、计时起立-行走时间、平衡能力及步态质量均有统计学意义的显著提高。
   • 生活质量提升：患者报告了日常生活能力的实质性进步，如在家中独立行走、上下车、在酒吧站立与朋友饮酒等。

4. 家庭集成与可用性：研究团队开发了集成于助行器中的便携式BSI系统，患者可在无辅助情况下在5分钟内完成设置并独立使用。家庭使用7个月期间，解码性能保持稳定，且患者自我报告的辅助设备心理社会影响量表（PIADS）评分显示其在安全感、熟练度和参与能力方面获得最大可能增益。

四、 研究结论与意义

本研究成功构建并验证了一个无线、完全植入式的脑-脊髓接口。该数字桥梁能够实时解码大脑运动皮层的活动，并将其转化为对腰骶段脊髓的模拟调制电刺激，从而在慢性脊髓损伤患者身上恢复了对下肢运动的自然、自适应控制，使其能够在各种社区环境中站立、行走和导航复杂地形。

其科学价值和应用价值在于： 1. 概念验证与临床突破：首次在人体实现了完全植入式、无线实时工作的脑-脊髓接口，并证明了其恢复自然运动控制的可行性，为治疗运动瘫痪提供了全新的框架。 2. 促进神经可塑性：研究首次报道了BSI支持的神经康复能够超越单纯脊髓刺激的效果，驱动额外的、持久的神经功能恢复。这表明建立大脑与脊髓之间的连续、意图驱动的闭环连接，可能促进了残存神经通路的重组和强化。 3. 技术集成与稳定性：展示了高密度ECoG记录、自适应解码算法、可编程脊髓刺激器等多种先进神经技术的成功集成，并证明了该系统长期植入的稳定性和家庭环境下的实用性。 4. 为更广泛应用铺路：尽管本研究针对单一个体，但其生理学原理（靶向EES）和解码框架已在其他患者中得到验证。作者认为，该方法有望推广至更广泛的脊髓损伤人群，甚至未来可能扩展至用于恢复上肢功能的颈段脊髓接口。

五、 研究亮点

1. 创新性技术整合：将无线皮层ECoG记录、先进运动意图解码算法与可编程靶向脊髓硬膜外电刺激无缝结合，构建了首个临床级的完全植入式脑-脊髓接口系统。
2. “自然控制”的恢复：不同于此前依赖外部传感器或补偿策略的方法，BSI直接解读大脑运动意图，实现了患者主观感知上的“自然”运动控制，显著提升了运动的适应性和灵活性。
3. 神经康复的新范式：研究不仅关注功能替代，更揭示了闭环神经调控作为康复工具的巨大潜力。BSI提供的“意图-结果”精确匹配，可能创造了最优的神经可塑性条件，从而诱导了超出预期的神经功能恢复。
4. 从实验室到家庭：研究成功将复杂的脑机接口系统转化为患者可独立操作的家用康复设备，标志着此类技术向实用化迈出了关键一步。
5. 详实的长期数据：提供了近一年的系统稳定性、解码性能及神经功能恢复的纵向数据，增强了研究结论的说服力。

六、 其他有价值的内容

研究也坦诚讨论了局限性，例如目前仅为单病例研究，其普适性需在更多不同损伤部位和严重程度的患者中验证。同时，文章展望了未来的发展方向：进一步微型化硬件、开发超快通信的脊髓刺激器、集成低功耗神经形态处理器以实现自主校准等。最终，研究者提出，这种连接大脑与脊髓的数字桥梁概念，预示着一个治疗神经系统疾病所致运动障碍的新时代。