芯片植入，喚醒沉睡的運動神經(jīng)

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”，首次實現(xiàn)了癱瘓靈長類動物行走能力的恢復(fù)。

大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理信息時，會產(chǎn)生特殊的電信號。在靈長類動物的腦部，驅(qū)動行走的信號來自一個名為運動皮層的區(qū)域，大小相當(dāng)于一角的硬幣。在動物體內(nèi)，電信號會沿著脊柱神經(jīng)向下，傳遞到腰部，從那里指導(dǎo)腿部肌肉開始運動，實現(xiàn)行走。但是如果遭遇外傷，這種連接就會受到損害，引起癱瘓。盡管腦部仍然會產(chǎn)生正確的信號，腿部的肌肉激活系統(tǒng)也毫發(fā)無損，但是信號到不了腿部。由此可見，研究人員通過實時無線技術(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)的一支跨國研究團隊，將芯片植入兩只脊髓損傷的猴子大腦，發(fā)送無線信號，激活植于受傷的脊髓下段的接收器和脊髓電極，喚醒沉睡的運動神經(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，因為中樞神經(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。然而庫爾蒂納認為這種療法過于復(fù)雜，實施起來難度太大。還有一個辦法是通過外骨骼，給患者造一根能行走的自動化機械拐杖。

庫爾蒂納大膽設(shè)想，與其對“橋梁”進行修補，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動指令后，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。利用人工無線信號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，對方思考了一會兒后鼓勵他動手一試。

這絕不是一項簡單的工程，有包括中國在內(nèi)的7個國家11家機構(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。庫爾蒂納和他的團隊為此努力了整整7年。在此之前，他們曾經(jīng)在癱瘓的大鼠身上試驗成功。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)大鼠的這種運動完全不是主動的，因為它實際上無法控制自己的腿。究其原因，在于缺少一個方向盤。

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

在捕獲到關(guān)鍵信號后，他們在癱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，大腦便會發(fā)出特定的電信號。當(dāng)這個信號被腦中的電極捕捉到以后，便會通過無線網(wǎng)絡(luò)和外部計算機溝通。計算機會將指令發(fā)送給腰部電極，從而控制猴子下肢的運動。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”控制腿部運動。此項研究實現(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控制下肢的運動。

近年來快速發(fā)展的“腦機接口”技術(shù)先解碼大腦信號，然后通過計算機樞紐，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，捕捉精準的電信號，并讓電極與計算機通信，不久前成功地實現(xiàn)了用“意念”打字，半年訓(xùn)練之后打字的準確率達到了90%。

庫爾蒂納給這個項目命名為“重新行走計劃”，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)便會突然變得黯淡無光。“我們的目標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。”他在接受記者采訪時解釋說，“這項研究中依賴的電信號目前作用很有限，僅僅只能起到讓腿部伸展和彎曲的作用，無法完成像改變運動方向或者越過障礙物等更精細的動作。如果運用到人類身上要求更高，還必須考慮如何適應(yīng)直立行走時的身體平衡。”

扭轉(zhuǎn)癱瘓有希望

正常情況下，大腦發(fā)出的運動指令通過脊髓傳導(dǎo)至肌肉，通過控制肌群的收縮和舒張實現(xiàn)肢體的協(xié)調(diào)運動。由于外傷和疾病對脊髓的損害，使得這條傳導(dǎo)通路受損，運動指令不能傳導(dǎo)至肌肉，則導(dǎo)致病人的癱瘓。對于癱瘓的治療，可以運用生物學(xué)技術(shù)和電子和信息技術(shù)。前者能促進神經(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)的運動指令，并進行解碼。

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)生運動；二是用電極直接控制四肢肌群產(chǎn)生收縮，實現(xiàn)運動；三是將運動指令用于控制機械手臂和外骨骼等外部設(shè)備實現(xiàn)運動。

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)建一個商業(yè)上可行的系統(tǒng)。首要任務(wù)之一是研制一個名叫“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，并且進展緩慢，但是意義重大。

雖然“神經(jīng)旁路”的發(fā)展進程緩慢，但在計算機技術(shù)的快速發(fā)展帶動下，實現(xiàn)了技術(shù)的一次次飛躍。有幾件標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)生在一個不能說話的癱瘓者的大腦中安裝了一個電極，使其通過計算機與人交流。

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

2014～2015年：俄亥俄醫(yī)生開始努力使兩個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機器臂，使得他可以“感覺”到手指，還在奧巴馬總統(tǒng)訪問實驗室時與他頂拳。

相比起非常成熟的人工耳蝸，讓“神經(jīng)義肢”改善癱瘓會更有難度。由美國凱斯西儲大學(xué)羅伯特·基爾希教授和博盧·阿吉博耶教授領(lǐng)導(dǎo)的團隊，對一個四肢癱瘓者進行了一次實驗。他們在癱瘓者的手臂和手掌肌肉安裝了超過16個的精細電極，在大腦中放置了兩個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。該項試驗是使用植入電子設(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)的跨國研究團隊實驗證明，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間內(nèi)實現(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)脊椎損傷引起的運動受損研究方面取得了顯著的成果，扭轉(zhuǎn)癱瘓被《麻省理工科技評論》評為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，對于大腦運動指令進行快速解碼，從而實現(xiàn)更精細的運動控制。相信神經(jīng)科學(xué)、材料、信息等領(lǐng)域的發(fā)展將在不太遙遠的未來使得眾多的癱瘓病人重獲新生。

編輯：成韻 chengyunpipi@126.comendprint