肖優(yōu)明

“神經(jīng)旁路”創(chuàng)奇跡

在許多科幻作品中，作者設(shè)想過將人腦與電腦相結(jié)合，試著修復(fù)患者身上已損壞的脊髓神經(jīng)，用意念操控機(jī)械，使截癱人士擺脫輪椅，重新站立和行走。然而，最近發(fā)表在《自然》雜志上的一項(xiàng)研究卻擯棄固有思路，讓植入裝置充當(dāng)大腦和腿部之間的“信使”，首次實(shí)現(xiàn)了癱瘓靈長類動(dòng)物行走能力的恢復(fù)。

大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理信息時(shí)，會(huì)產(chǎn)生特殊的電信號(hào)。在靈長類動(dòng)物的腦部，驅(qū)動(dòng)行走的信號(hào)來自一個(gè)名為運(yùn)動(dòng)皮層的區(qū)域，大小相當(dāng)于一角的硬幣。在動(dòng)物體內(nèi)，電信號(hào)會(huì)沿著脊柱神經(jīng)向下，傳遞到腰部，從那里指導(dǎo)腿部肌肉開始運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)行走。但是如果遭遇外傷，這種連接就會(huì)受到損害，引起癱瘓。盡管腦部仍然會(huì)產(chǎn)生正確的信號(hào)，腿部的肌肉激活系統(tǒng)也毫發(fā)無損，但是信號(hào)到不了腿部。由此可見，研究人員通過實(shí)時(shí)無線技術(shù)重建這種連接，可稱得上是前所未有的成就。

由法國神經(jīng)學(xué)家格雷瓜爾·庫爾蒂納領(lǐng)導(dǎo)的一支跨國研究團(tuán)隊(duì)，將芯片植入兩只脊髓損傷的猴子大腦，發(fā)送無線信號(hào)，激活植于受傷的脊髓下段的接收器和脊髓電極，喚醒沉睡的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)，讓它們奇跡般地恢復(fù)了自主行走。

脊髓損傷治療是醫(yī)學(xué)難題，因?yàn)橹袠猩窠?jīng)系統(tǒng)屬于難以再生組織，一旦損傷往往終身癱瘓。脊髓被稱之為神經(jīng)的“橋梁”，如果被切斷了，傳統(tǒng)的治療方法是去修復(fù)這座“橋梁”。受傷的神經(jīng)纖維通過刺激重新生長，最終使“橋梁”通車。然而庫爾蒂納認(rèn)為這種療法過于復(fù)雜，實(shí)施起來難度太大。還有一個(gè)辦法是通過外骨骼，給患者造一根能行走的自動(dòng)化機(jī)械拐杖。

庫爾蒂納大膽設(shè)想，與其對(duì)“橋梁”進(jìn)行修補(bǔ)，還不如在空中建一座新的無形“橋梁”。即腦中的電極捕捉到運(yùn)動(dòng)指令后，可以通過無線網(wǎng)絡(luò)，繞過脊髓損傷區(qū)域，直接激活損傷的下段脊髓，向肢體傳遞神經(jīng)信號(hào)。利用人工無線信號(hào)重建大腦和脊髓的聯(lián)系，談何容易。最困難的是研發(fā)所有需要的技術(shù)，并且把它們?nèi)咳诤显谝黄稹瓗鞝柕偌{自己都覺得這個(gè)創(chuàng)建“神經(jīng)旁路”的想法瘋狂。然而他最終還是鼓足勇氣告訴了導(dǎo)師，對(duì)方思考了一會(huì)兒后鼓勵(lì)他動(dòng)手一試。

這絕不是一項(xiàng)簡單的工程，有包括中國在內(nèi)的7個(gè)國家11家機(jī)構(gòu)的近百位神經(jīng)生物學(xué)家、神經(jīng)外科醫(yī)生、工程師和理療師等研究人員參與。庫爾蒂納和他的團(tuán)隊(duì)為此努力了整整7年。在此之前，他們?cè)?jīng)在癱瘓的大鼠身上試驗(yàn)成功。在給大鼠脊髓下部安裝電極并發(fā)送模擬大腦發(fā)出的電信號(hào)后，它竟然不用大腦完全參與就站了起來。但不久后，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)大鼠的這種運(yùn)動(dòng)完全不是主動(dòng)的，因?yàn)樗鼘?shí)際上無法控制自己的腿。究其原因，在于缺少一個(gè)方向盤。

猴子是更加接近人類的靈長類動(dòng)物，施救意義重大。挑戰(zhàn)大腦解碼是實(shí)際操作的第一關(guān)，研究人員導(dǎo)出猴子運(yùn)動(dòng)時(shí)的腦電活動(dòng)，然后通過剔除無數(shù)干擾，在眾多紛雜的信號(hào)中最終找到控制右下肢活動(dòng)的那個(gè)關(guān)鍵信號(hào)。這個(gè)過程看似簡單，然而做起來卻困難重重。為了收集和研究大腦信號(hào)，研究人員常常夜以繼日，廢寢忘食。

在捕獲到關(guān)鍵信號(hào)后，他們?cè)诎c瘓猴子的腦部和損傷的脊髓下面，分別安裝了電極。如果它想要控制自己的右下肢，大腦便會(huì)發(fā)出特定的電信號(hào)。當(dāng)這個(gè)信號(hào)被腦中的電極捕捉到以后，便會(huì)通過無線網(wǎng)絡(luò)和外部計(jì)算機(jī)溝通。計(jì)算機(jī)會(huì)將指令發(fā)送給腰部電極，從而控制猴子下肢的運(yùn)動(dòng)。由于在猴子腦中裝上了“方向盤”，腦中植入的電極能讓它通過自己的“思想”控制腿部運(yùn)動(dòng)。此項(xiàng)研究實(shí)現(xiàn)了“腦和脊柱接口”技術(shù)的重大突破，使猴子不需要借助外部的“開關(guān)”，完全能夠通過自身的意識(shí)控制下肢的運(yùn)動(dòng)。

近年來快速發(fā)展的“腦機(jī)接口”技術(shù)先解碼大腦信號(hào)，然后通過計(jì)算機(jī)樞紐，讓大腦和外部設(shè)備相連，使癱瘓病人受益匪淺。荷蘭一名肌萎縮側(cè)索硬化癥（漸凍癥）患者失去說話能力，通過在大腦中植入電極，捕捉精準(zhǔn)的電信號(hào)，并讓電極與計(jì)算機(jī)通信，不久前成功地實(shí)現(xiàn)了用“意念”打字，半年訓(xùn)練之后打字的準(zhǔn)確率達(dá)到了90%。

庫爾蒂納給這個(gè)項(xiàng)目命名為“重新行走計(jì)劃”，研究成果在《自然》雜志上發(fā)表后引起極大的反響。世界上每年有50萬人因脊髓損傷而癱瘓，他們的生命短短幾秒內(nèi)便會(huì)突然變得黯淡無光?！拔覀兊哪繕?biāo)在于幫助癱瘓者更好地康復(fù)，提高他們的生活質(zhì)量，而并不是科幻般地將癱瘓消滅?！彼诮邮苡浾卟稍L時(shí)解釋說，“這項(xiàng)研究中依賴的電信號(hào)目前作用很有限，僅僅只能起到讓腿部伸展和彎曲的作用，無法完成像改變運(yùn)動(dòng)方向或者越過障礙物等更精細(xì)的動(dòng)作。如果運(yùn)用到人類身上要求更高，還必須考慮如何適應(yīng)直立行走時(shí)的身體平衡?！?/p>

扭轉(zhuǎn)癱瘓有希望

正常情況下，大腦發(fā)出的運(yùn)動(dòng)指令通過脊髓傳導(dǎo)至肌肉，通過控制肌群的收縮和舒張實(shí)現(xiàn)肢體的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。由于外傷和疾病對(duì)脊髓的損害，使得這條傳導(dǎo)通路受損，運(yùn)動(dòng)指令不能傳導(dǎo)至肌肉，則導(dǎo)致病人的癱瘓。對(duì)于癱瘓的治療，可以運(yùn)用生物學(xué)技術(shù)和電子和信息技術(shù)。前者能促進(jìn)神經(jīng)纖維再生，使得受損的脊髓通路重新建立。后者可建立人工的信息傳導(dǎo)通路，使用微型電極探測腦內(nèi)的運(yùn)動(dòng)指令，并進(jìn)行解碼。

人工信息傳導(dǎo)通路采用三種途徑建立：一是建立“神經(jīng)旁路”，利用無線電將大腦讀取術(shù)直接連接到身體上的電刺激器，繞過受損的脊髓，把信號(hào)傳導(dǎo)至脊髓未受損的部分，從而利用原有的脊髓- 肌肉通路產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)；二是用電極直接控制四肢肌群產(chǎn)生收縮，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)；三是將運(yùn)動(dòng)指令用于控制機(jī)械手臂和外骨骼等外部設(shè)備實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)。

瑞士億萬富翁漢斯賈格·維斯專門為解決脊髓旁路等神經(jīng)科技的技術(shù)設(shè)立了研究中心。該研究中心的領(lǐng)導(dǎo)人是約翰·多諾霍，他正帶領(lǐng)神經(jīng)科學(xué)家、技術(shù)人員、臨床醫(yī)生共同創(chuàng)建一個(gè)商業(yè)上可行的系統(tǒng)。首要任務(wù)之一是研制一個(gè)名叫“神經(jīng)通”的超緊湊型無線設(shè)備，以網(wǎng)絡(luò)速度從大腦收集數(shù)據(jù)。這是世界上最復(fù)雜的大腦通信器，雖然很復(fù)雜，并且進(jìn)展緩慢，但是意義重大。

雖然“神經(jīng)旁路”的發(fā)展進(jìn)程緩慢，但在計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展帶動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)了技術(shù)的一次次飛躍。有幾件標(biāo)志性事件為千百萬癱瘓患者帶來了希望。

1961年：美國醫(yī)生和發(fā)明家威廉·豪斯測試了第一個(gè)人工耳蝸，透過電流刺激聽覺神經(jīng)，證明可以協(xié)助失聰者重拾聽覺，使25萬人受益。

1998年：醫(yī)生在一個(gè)不能說話的癱瘓者的大腦中安裝了一個(gè)電極，使其通過計(jì)算機(jī)與人交流。

2008年：美國和日本的科學(xué)家聯(lián)手完成了一項(xiàng)遠(yuǎn)距離實(shí)驗(yàn)：在美國獲取的一只猴子的大腦發(fā)出的信號(hào)，通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸，并成功地用這些信號(hào)激發(fā)機(jī)器人在跑步機(jī)上行走。這是世界上第一個(gè)腦波遙控機(jī)器人實(shí)驗(yàn)，雖然僅限于動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，但未來如果能用于人類，醫(yī)生可以幫助肢體嚴(yán)重癱瘓的病人恢復(fù)肢體活動(dòng)能力。

2014～2015年：俄亥俄醫(yī)生開始努力使兩個(gè)不同癱瘓類型的男人“重獲新生”。他們的想法可以傳遞到他們手臂上的電極，從而實(shí)現(xiàn)手指的伸縮。

2016年：28歲的南森·科普蘭通過大腦植入物操控了一個(gè)機(jī)器臂，使得他可以“感覺”到手指，還在奧巴馬總統(tǒng)訪問實(shí)驗(yàn)室時(shí)與他頂拳。

相比起非常成熟的人工耳蝸，讓“神經(jīng)義肢”改善癱瘓會(huì)更有難度。由美國凱斯西儲(chǔ)大學(xué)羅伯特·基爾希教授和博盧·阿吉博耶教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)，對(duì)一個(gè)四肢癱瘓者進(jìn)行了一次實(shí)驗(yàn)。他們?cè)诎c瘓者的手臂和手掌肌肉安裝了超過16個(gè)的精細(xì)電極，在大腦中放置了兩個(gè)比郵票還小的硅制記錄裝置，上面有上百根頭發(fā)大小的金屬探針，來探測神經(jīng)元發(fā)出的命令。在操作過程中，志愿者在彈簧扶手的幫助下緩慢地抬起了他的手臂，并可以實(shí)現(xiàn)手掌的張和握，他甚至可以把有吸管的杯子遞到嘴邊。該項(xiàng)試驗(yàn)是使用植入電子設(shè)備來恢復(fù)各種感官和功能的廣泛研究中的一部分。除了治療癱瘓外，科學(xué)家希望能夠使用所謂的“神經(jīng)義肢”，通過在眼睛中放置芯片來恢復(fù)視力，或者是恢復(fù)阿爾茨海默病人的記憶。

庫爾蒂納領(lǐng)導(dǎo)的跨國研究團(tuán)隊(duì)實(shí)驗(yàn)證明，建立人工信息通路第一條途徑的“神經(jīng)旁路”能夠使得癱瘓的猴子在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)行走，顯示了巨大的潛力。由于科學(xué)家通過腦植入來恢復(fù)脊椎損傷引起的運(yùn)動(dòng)受損研究方面取得了顯著的成果，扭轉(zhuǎn)癱瘓被《麻省理工科技評(píng)論》評(píng)為2017年10大全球突破性技術(shù)之一。未來需要開發(fā)生物兼容性更好的材料，使得更多的微型電極能夠植入體內(nèi)，并長期穩(wěn)定的工作。另外需要研究更有效的算法，對(duì)于大腦運(yùn)動(dòng)指令進(jìn)行快速解碼，從而實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的運(yùn)動(dòng)控制。相信神經(jīng)科學(xué)、材料、信息等領(lǐng)域的發(fā)展將在不太遙遠(yuǎn)的未來使得眾多的癱瘓病人重獲新生。

編輯：成韻 chengyunpipi@126.comendprint