Science医学：让瘫痪患者恢复行走

　　

生物通报道  洛桑联邦理工学院的科学家们发现了能够实时控制完全瘫痪的大鼠的四肢，帮助其恢复行走的方法。他们的研究结果发表在今天的《科学转化医学》（Science Translational Medicine）杂志上。

基于早期的大鼠研究工作，这一新突破将成为一种更普遍疗法的组成部分，有可能有一天被应用到欧洲NEUWalk计划当前正在开发的脊髓损伤患者康复治疗项目中。临床试验有可能最早在明年夏天启动，利用的是现在在洛桑大学医院装配的新型Gait平台。

它是如何起作用的

人体需要电来发挥机能。例如，人类大脑的电输出大约为30瓦。当神经系统回路遭到损坏时，电信号传播受损，往往会导致瘫痪一类的破坏性神经系统疾病（延伸阅读：Science里程碑成果：瘫痪康复并不难 ）。

用电刺激神经系统已知可以在多个层面上帮助缓解这些神经系统疾病。例如，脑深部电刺激被用来治疗与帕金森病相关的震颤。还可以操控一些电信号来刺激神经元恢复截肢者截去肢体的触觉。电刺激脊髓还可以恢复脊髓损伤中的运动控制。

那么能否操控电信号来帮助截瘫者自然行走？答案是肯定的，至少对于大鼠是如此。

洛桑理工学院神经科学家Grégoire Courtine说：“我们完全控制了大鼠的后肢。大鼠无法随意控制它的四肢，但切断的脊髓可以重新激活，受到刺激完成自然行走。我们可以实时控制大鼠如何向前移动，以及它抬高大腿的高度。”

科学家们对中背部脊髓完全切断，没有任何来自大脑的信号能够到达下方脊髓的大鼠展开了研究。利用手术在这里植入柔性电极。通过电极发送的电流刺激了脊髓。

他们认识到大鼠抬高四肢的高度与电刺激频率之间有着直接的关系。基于此以及对大鼠步行模式（步态）的仔细监测，研究人员专门设计出了让大鼠能够跨过预期障碍物，如栅栏或楼梯的电刺激。

共同作者、神经工程师Silvestro Micera说：“有关神经系统运作机制的简单科学发现，可以被利用来开发出更有效的神经义肢技术。我们相信，这一技术有一天能够显著地改善面对着一些神经系统疾病的患者的生活质量。”

进一步推进这一想法，Courtine和Micera及来自洛桑联邦理工学院神经义肢中心的同事们，正在探讨解码直接来自于大脑、与腿部运动相关的信号，并利用这一信息来刺激脊髓的可能性。

利用洛桑大学医院的Gait平台迈向临床实验

利用汇集了创新的监控和康复技术的新型Gait平台，本研究中报道的这种电刺激疗法有可能在最早于明年夏天启动的一项临床研究中针对不完全脊髓损伤的患者展开测试。

Courtine研究小组设计的这一Gait平台，包括了跑步机和地面支持系统等定制设备， 14台红外线摄像机用来检测患者身体上的反光标记物，以及两台电视摄像机，所有这些都会生成大量有关腿部和躯体运动的信息。可以完全同步这一信息来实现全面监控以及对设备的微调，以获得智能化的帮助以及给予患者适当的脊髓电刺激。

这一Gait平台被安置在由洛桑大学医院提供的一个100平米的房间中。该医院已有一家康复中心致力于骨科和神经系统疾病的转化研究。

Courtine说：“Gait平台并不是一个康复中心，它是一个研究实验室，在这里我们将能够与洛桑大学医院的理疗师和医生等医学专家展开密切合作，利用专门的技术来研究以及开发新的疗法。”

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文摘要：

Closed-loop neuromodulation of spinal sensorimotor circuits controls refined locomotion after complete spinal cord injury

Neuromodulation of spinal sensorimotor circuits improves motor control in animal models and humans with spinal cord injury. With common neuromodulation devices, electrical stimulation parameters are tuned manually and remain constant during movement. We developed a mechanistic framework to optimize neuromodulation in real time to achieve high-fidelity control of leg kinematics during locomotion in rats. We first uncovered relationships between neuromodulation parameters and recruitment of distinct sensorimotor circuits, resulting in predictive adjustments of leg kinematics. Second, we established a technological platform with embedded control policies that integrated robust movement feedback and feed-forward control loops in real time. These developments allowed us to conceive a neuroprosthetic system that controlled a broad range of foot trajectories during continuous locomotion in paralyzed rats. Animals with complete spinal cord injury performed more than 1000 successive steps without failure, and were able to climb staircases of various heights and lengths with precision and fluidity. Beyond therapeutic potential, these findings provide a conceptual and technical framework to personalize neuromodulation treatments for other neurological disorders.