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科幻变成现实!截瘫牧羊女卧床6年后重获行走能力!

2021-05-30 20:42:36来源:|分享|扫描到手机
阅读提要:近期,卧床多年的患者小韩又能走路了!她通过参与宣武医院“重拾行走计划”,经过半年系统的脑机接口康复训练,她终于能在使用助行器的情况下独自行走了。

(首都医科大学宣武医院 王蕾)近期,卧床多年的患者小韩又能走路了!她通过参与宣武医院“重拾行走计划”,经过半年系统的脑机接口康复训练,她终于能在使用助行器的情况下独自行走了。

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天轨减重步行训练

6年前跌落导致完全性脊髓损伤

患者小韩6年前在山上牧羊时,不慎跌入一个9米深的洞,导致“完全性脊髓损伤”,下肢完全没有运动和知觉,生活不能自理,一度对生活失去信心。虽然在基层医院进行了传统康复训练,但是仍然不能主动运动双腿,站立也需要在帮助下才能勉强完成。期间,她偶然参与了宣武医院“重拾行走计划”,通过半年系统的脑机接口康复训练,目前已经能够在穿戴支具、使用助行器的情况下独自行走。

人类大脑可以产生运动意向,以电信号形式输出给肢体,也可以接收来自躯体的感觉信息的输入。大脑的活动如打球、计算、聊天等过程都高度依赖输入和输出的交互,一旦信息的传导功能受损,指令的下行输出和感觉信息的上行输入中断,将造成严重的功能缺失,极大地影响生活质量。但是,神经损伤发生的层面不同,预后也不尽相同。如果损伤发生于大脑皮层,缺失的功能可以通过“康复训练”引导的“大脑功能重组”进行修复。但是,小韩的损伤发生在脊髓层面,而且是脊髓损伤中最严重的“完全性脊髓损伤”。

“完全性脊髓损伤在神经外科临床中很常见。” 首都医科大学宣武医院院长赵国光说,“因为脊髓严重损伤,这些患者的大脑完全接收不到损伤平面以下的感觉输入,同时运动指令也无法发给肌肉。这种损伤通过传统的外科手段或康复医学手段都无法有效地进行损伤平面以下的功能恢复。”所以,在小韩的前期的治疗中,一般的治疗方法更着重于“使用功能完好部分进行主动代偿”,忽视损伤平面下的“主动康复训练”。

但近年来,神经科学的发展对“完全性脊髓损伤”有了新的认识。所谓“完全性脊髓损伤”可能并非脊髓物理上完全断开,其中仍有部分神经纤维可能存在“藕断丝连”。那么,如何让这些“残存的神经纤维”再次发挥功能呢?

脑机接口技术让“残存的神经纤维”再次发挥功能

“脑机接口技术是大脑与外部设备之间创建的直接连接。我们通过脑机接口技术,可以提取大脑神经电活动信号,与外部设备建立信息反馈和交互。以此为基础的脑机接口康复训练体系,也正是重拾行走计划的核心。” 赵国光说。脑机接口康复训练可以调动大脑感觉和运动等脑区协同工作。科学地给皮层和肢体施加运动和感觉任务,可刺激中枢和效应器产生电信号,并通过脑机接口在大脑和肢体之间建立人工的辅助传导通路,使得两者之间阻断的信息交流能够延续,这样可以激活脊髓残存的神经纤维,激发出其“残存的潜在能力”,在功能上发挥代偿作用,部分恢复脊髓对运动和感觉信息的传导功能。脑机接口康复训练还可以促进受损脑网络的完善、促进白质部分恢复,与机器人辅助技术、天轨减重步行训练、传统运动疗法等康复治疗技术互相配合,可以显著提高康复效果和进度。

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脑机接口

近年国际上的研究和我们近期的实验共同显示:对于常规康复手段难以改善功能的完全性脊髓损伤,脑机接口显示出巨大潜力;对于非完全性脊髓损伤及其他脑损伤,脑机接口康复训练也表现出明显的优势。

国际上脑机接口有很多种技术类型,对于采集“脑电信号”的脑机接口,大致可分为有有创脑机接口(颅内植入式电极)和无创脑机接口(使用头皮电极)。有创脑机接口颅内脑电信噪比高,信号清晰,但电极覆盖范围比较小,比较适合导出上肢精细运动的控制。而采用头皮脑电的无创脑机接口可采集来自大脑各个脑区的脑电信号,适用范围广,缺点是信号噪声较大,需要复杂算法进行分析,比较适合粗大运动的检测。

“类似小韩这种患者,损伤的部位是胸髓T9-T12,下肢运动功能受损。因此这种节段的脊髓损伤,更适合使用无创脑机接口恢复下肢粗大的运动功能。”赵国光说。

另外,相比于有创脑机接口,无创脑机接口的优点是受众面比较广,成本低,无感染风险。这种脑机接口可能更加适合于临床康复使用。

“我们项目入组的要求比较严格:完全性脊髓损伤(ASIA A级),胸髓T9-T12。但实际上,重拾行走计划的成套脑机接口技术可以帮助很大范围的患者恢复行走功能。研究工作常常挑选一个比较纯粹的、看似不可能恢复的对象来研究,这样可以证实确实是脑机接口促进了脊髓功能恢复。我们计划今后会逐步帮助更多患者康复。”赵国光表示:“另外,我们神经外科也在开发各种有创的闭环脑机接口,比如丘脑引出的电信号与电磁刺激组合,调控帕金森、癫痫等功能性脑疾病。”

科幻照进现实!

科幻电影常出现“黑科技”,如电影《黑客帝国》中的脑机接口将人的脑部活动完全“复制”到系统当中。但是在现实中,现阶段较成熟的脑机接口只能解码和反馈额叶运动区产生主观的运动意图。而人脑中各种复杂意念,逻辑思维、抽象推理、物体识别、记忆提取等神经活动,目前脑机接口技术还做不到这类信号的解码,所以还无法实现随心所欲的控制。

也正是因为上述原因,在重拾行走计划中,脑机接口技术不是直接将外加的通路用作控制,而是用于修复受损的神经环路,恢复患者运动功能。“从这一点来说,体现了我们‘技术源自临床需求’的特色思路”。赵国光说。

宣武医院“重拾行走计划”为跨学科,多专业合作项目。在神经外科、神经内科、神经电生理、神经康复、神经影像、生物医学工程、计算机、认知科学等学科的通力合作下,分别解决了神经修复理论、神经电生理评估、脑机接口设备搭建与运行、信号解析与反馈等各个环节的问题,设计了成套的评估体系,进行了完全性脊髓损伤患者的临床探索。

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康复机器人训练。

在前期研究中,患者运动和感觉功能均获得了明显改善,不同程度地恢复了“行走”的能力。同时也期待今后借助脑机交界技术,帮助更多患者恢复运动、感觉、乃至认知能力。

(责任编辑:孙宝光)

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