撰文 | Qi
針對腰骶脊髓的硬膜外電刺激 (Epidural electrical stimulation, EES) 可以恢復脊髓損傷 (spinal cord injury, SCI) 患者的行走能力。已有研究證明在多名物理治療師的協助下，經過數月的高強度訓練後，部分接受治療的運動完全癱瘓患者甚至可以帶著EES在地面行走，但現有方法無法在人力資源有限的情況下完成對運動能力的快速恢復和靈活調節。
EES是透過背根在脊髓入口處招募傳入纖維，從而導致運動神經元的啟用，這些運動神經元嵌入由這些纖維所在的根神經支配的脊髓節段中。因此，針對單個背根可以調節特定的運動神經元。根據這一生物學原理研究人員開發了EES程式，能以預定時間為靶向單個背根，以在行走過程中再現運動神經元的自然時空啟用模式。與先前連續EES相比，這種仿生刺激程式在SCI後能介導更出色的行走能力恢復。然而，這種技術包含針對脊髓背柱的電極排列的槳狀導線，旨在減輕疼痛，但運動功能的恢復需要針對背根，現有槳狀導線的長度限制了EES能夠靶向的背根數量。因而需要設計一種新的技術以利用EES在SCI後恢復運動的生物學原理【1-5】。
2022年2月7日，來自瑞士聯邦理工學院的Grégoire Courtine團隊和Jocelyne Bloch團隊在Nature Medicine雜誌上合作發表了一篇題為 Activity-dependent spinal cord neuromodulation rapidly restores trunk and leg motor functions after complete paralysis 的文章，研究人員設計並製造了一種針對參與腿部和下軀幹運動的整體背根的槳狀導線，建立了一個結合高解析度結構和功能成像的計算框架以最佳化該導線的定位，並開發了支援快速進行仿生刺激程式的軟體。研究人員旨在利用這一專門構建的神經技術組合來制定依賴於活動的仿生刺激程式，以解決SCI個體嚴重的運動能力缺陷。
骶骨（S1和S2）、腰椎（L1-L5）和下胸椎（T12）背根投射到包含運動神經元支配腿部和下軀幹肌肉的脊髓節段。為了解決上面提到的問題，研究人員想要確定一種能靶向所有這些背根的電極排列。在此之前，研究人員首先透過MRI和CT確定了脊髓解剖存在的個體間變異性，影象顯示不同個體背根入口區的寬度非常一致。脈衝發生器可以容納16個電極，作者發現儘管脊髓的拓撲結構不同，但這些電極可以接觸16個目標背根。作者建立了一個用於生成EES和脊髓之間相互作用計算模型的流程，並生成一個包含15個個性化計算模型的圖譜，為研究大量人群中電極的最佳佈置提供資源。
研究人員認為確定電極的最佳排列需要將分析限制在決定EES選擇性的關鍵特徵上，這些特徵包括：1）脊髓的頭尾分佈，根據漿的最佳長度沿著頭尾方向均勻分佈電極；2）橫向位置的確認，透過模擬發現將電極放在距中線4.7 mm處將減輕中外側偏差影響；3）引導電流的中線位置，模擬顯示使用側向和中線電極建立多極配置可將電流引向目標根部，同時最大限度地減少對側根部的募集；4）骶骨區域的排列，因為骶骨節段周圍腰根的凝集阻礙了骶骨根進入區的選擇性募集。研究人員根據這4個特徵確認16個電極的排列。然而，在15個計算模型中，不同模型間的效能差異很大，是由電極的固定排列和脊髓拓撲結構的可變性之間不匹配所致。因此，精確的術前計劃以最佳化電極的定位至關重要。
圖1. 根據4個關鍵特徵完成的電極最佳排列。
接下來，作者透過術中CT掃描以將安裝位置對映到每位參與者的解剖結構，給予EES並用肌電圖監測肌肉反應。與最初設計的用於緩解疼痛的排列相比，這種電極排列增強了EES的覆蓋範圍和傳入纖維的選擇性。雖然有這些優點，但如果想要達到仿生的效果，就需要提供以精確時間開關的同步刺激波形的傳遞，以及在無線閉環中調整刺激引數。為此，研究人員不僅升級了能夠支援從多達10個刺激波形實時更新EES頻率、幅度和時間的Activa RC植入式脈衝發生器，還開發了一種觸屏操作軟體可實現活動相關刺激程式的快速配置。
值得注意的是，與先前數月訓練才能恢復行走的EES方法相比，這種新技術能使3名錶現出完全感覺運動麻痺的參與者僅在第一天就可以在跑步機上獨立行走，儘管步態較差。再過1-3天后，步態最佳化，且3名參與者均能在多向體重支援系統的支援下在地面上獨立行走，其中2名參與者甚至可以調節腿部運動的幅度。根據EES恢復行走的原則，似乎也可以推廣到其他運動型別。研究人員配置了特定於活動的刺激程式，使3名參與者能夠用他們的腿在水中游泳或在電動腳踏車上主動踩踏板，甚至是深蹲和腿部推舉。在長達5個月的康復計劃後，所有3名參與者逐漸恢復了完全的負重能力，在沒有任何幫助的情況下可以進行6 min的步行測試，其中一名甚至恢復了爬樓梯和複雜地形行走的能力。這些改進均與腿部和軀幹肌肉質量的顯著增加相吻合。
圖2. 透過不同的刺激程式，參與者可實現除了行走之外其他運動能力的恢復
總之，這項研究展示了一種強大的仿生EES技術，能使3名完全癱瘓患者在1天內恢復多項運動能力，且研究中提供的計算框架能為不同患者“量身定製”最佳的電極和導線安置。總的來說，這種療法對於改善SCI患者嚴重缺陷的運動能力具有重要臨床意義。
原文連結：
https://doi.org/10.1038/s41591-021-01663-5
製版人：十一
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