芯片植入，唤醒沉睡的运动神经

“神经旁路”创奇迹

在许多科幻作品中，作者设想过将人脑与电脑相结合，试着修复患者身上已损坏的脊髓神经，用意念操控机械，使截瘫人士摆脱轮椅，重新站立和行走。然而，最近发表在《自然》杂志上的一项研究却摈弃固有思路，让植入装置充当大脑和腿部之间的“信使”，首次实现了瘫痪灵长类动物行走能力的恢复。

大脑神经网络处理信息时，会产生特殊的电信号。在灵长类动物的脑部，驱动行走的信号来自一个名为运动皮层的区域，大小相当于一角的硬币。在动物体内，电信号会沿着脊柱神经向下，传递到腰部，从那里指导腿部肌肉开始运动，实现行走。但是如果遭遇外伤，这种连接就会受到损害，引起瘫痪。尽管脑部仍然会产生正确的信号，腿部的肌肉激活系统也毫发无损，但是信号到不了腿部。由此可见，研究人员通过实时无线技术重建这种连接，可称得上是前所未有的成就。

由法国神经学家格雷瓜尔·库尔蒂纳领导的一支跨国研究团队，将芯片植入两只脊髓损伤的猴子大脑，发送无线信号，激活植于受伤的脊髓下段的接收器和脊髓电极，唤醒沉睡的运动神经，让它们奇迹般地恢复了自主行走。

脊髓损伤治疗是医学难题，因为中枢神经系统属于难以再生组织，一旦损伤往往终身瘫痪。脊髓被称之为神经的“桥梁”，如果被切断了，传统的治疗方法是去修复这座“桥梁”。受伤的神经纤维通过刺激重新生长，最终使“桥梁”通车。然而库尔蒂纳认为这种疗法过于复杂，实施起来难度太大。还有一个办法是通过外骨骼，给患者造一根能行走的自动化机械拐杖。

库尔蒂纳大胆设想，与其对“桥梁”进行修补，还不如在空中建一座新的无形“桥梁”。即脑中的电极捕捉到运动指令后，可以通过无线网络，绕过脊髓损伤区域，直接激活损伤的下段脊髓，向肢体传递神经信号。利用人工无线信号重建大脑和脊髓的联系，谈何容易。最困难的是研发所有需要的技术，并且把它们全部融合在一起……库尔蒂纳自己都觉得这个创建“神经旁路”的想法疯狂。然而他最终还是鼓足勇气告诉了导师，对方思考了一会儿后鼓励他动手一试。

这绝不是一项简单的工程，有包括中国在内的7个国家11家机构的近百位神经生物学家、神经外科医生、工程师和理疗师等研究人员参与。库尔蒂纳和他的团队为此努力了整整7年。在此之前，他们曾经在瘫痪的大鼠身上试验成功。在给大鼠脊髓下部安装电极并发送模拟大脑发出的电信号后，它竟然不用大脑完全参与就站了起来。但不久后，科学家们发现大鼠的这种运动完全不是主动的，因为它实际上无法控制自己的腿。究其原因，在于缺少一个方向盘。

猴子是更加接近人类的灵长类动物，施救意义重大。挑战大脑解码是实际操作的第一关，研究人员导出猴子运动时的脑电活动，然后通过剔除无数干扰，在众多纷杂的信号中最终找到控制右下肢活动的那个关键信号。这个过程看似简单，然而做起来却困难重重。为了收集和研究大脑信号，研究人员常常夜以继日，废寝忘食。

在捕获到关键信号后，他们在瘫痪猴子的脑部和损伤的脊髓下面，分别安装了电极。如果它想要控制自己的右下肢，大脑便会发出特定的电信号。当这个信号被脑中的电极捕捉到以后，便会通过无线网络和外部计算机沟通。计算机会将指令发送给腰部电极，从而控制猴子下肢的运动。由于在猴子脑中装上了“方向盘”，脑中植入的电极能让它通过自己的“思想”控制腿部运动。此项研究实现了“脑和脊柱接口”技术的重大突破，使猴子不需要借助外部的“开关”，完全能够通过自身的意识控制下肢的运动。

近年来快速发展的“脑机接口”技术先解码大脑信号，然后通过计算机枢纽，让大脑和外部设备相连，使瘫痪病人受益匪浅。荷兰一名肌萎缩侧索硬化症（渐冻症）患者失去说话能力，通过在大脑中植入电极，捕捉精准的电信号，并让电极与计算机通信，不久前成功地实现了用“意念”打字，半年训练之后打字的准确率达到了90%。

库尔蒂纳给这个项目命名为“重新行走计划”，研究成果在《自然》杂志上发表后引起极大的反响。世界上每年有50万人因脊髓损伤而瘫痪，他们的生命短短几秒内便会突然变得黯淡无光。“我们的目标在于帮助瘫痪者更好地康复，提高他们的生活质量，而并不是科幻般地将瘫痪消灭。”他在接受记者采访时解释说，“这项研究中依赖的电信号目前作用很有限，仅仅只能起到让腿部伸展和弯曲的作用，无法完成像改变运动方向或者越过障碍物等更精细的动作。如果运用到人类身上要求更高，还必须考虑如何适应直立行走时的身体平衡。”

扭转瘫痪有希望

正常情况下，大脑发出的运动指令通过脊髓传导至肌肉，通过控制肌群的收缩和舒张实现肢体的协调运动。由于外伤和疾病对脊髓的损害，使得这条传导通路受损，运动指令不能传导至肌肉，则导致病人的瘫痪。对于瘫痪的治疗，可以运用生物学技术和电子和信息技术。前者能促进神经纤维再生，使得受损的脊髓通路重新建立。后者可建立人工的信息传导通路，使用微型电极探测脑内的运动指令，并进行解码。

人工信息传导通路采用三种途径建立：一是建立“神经旁路”，利用无线电将大脑读取术直接连接到身体上的电刺激器，绕过受损的脊髓，把信号传导至脊髓未受损的部分，从而利用原有的脊髓- 肌肉通路产生运动；二是用电极直接控制四肢肌群产生收缩，实现运动；三是将运动指令用于控制机械手臂和外骨骼等外部设备实现运动。

瑞士亿万富翁汉斯贾格·维斯专门为解决脊髓旁路等神经科技的技术设立了研究中心。该研究中心的领导人是约翰·多诺霍，他正带领神经科学家、技术人员、临床医生共同创建一个商业上可行的系统。首要任务之一是研制一个名叫“神经通”的超紧凑型无线设备，以网络速度从大脑收集数据。这是世界上最复杂的大脑通信器，虽然很复杂，并且进展缓慢，但是意义重大。

虽然“神经旁路”的发展进程缓慢，但在计算机技术的快速发展带动下，实现了技术的一次次飞跃。有几件标志性事件为千百万瘫痪患者带来了希望。

1961年：美国医生和发明家威廉·豪斯测试了第一个人工耳蜗，透过电流刺激听觉神经，证明可以协助失聪者重拾听觉，使25万人受益。

1998年：医生在一个不能说话的瘫痪者的大脑中安装了一个电极，使其通过计算机与人交流。

2008年：美国和日本的科学家联手完成了一项远距离实验：在美国获取的一只猴子的大脑发出的信号，通过互联网传输，并成功地用这些信号激发机器人在跑步机上行走。这是世界上第一个脑波遥控机器人实验，虽然仅限于动物实验，但未来如果能用于人类，医生可以帮助肢体严重瘫痪的病人恢复肢体活动能力。

2014～2015年：俄亥俄医生开始努力使两个不同瘫痪类型的男人“重获新生”。他们的想法可以传递到他们手臂上的电极，从而实现手指的伸缩。

2016年：28岁的南森·科普兰通过大脑植入物操控了一个机器臂，使得他可以“感觉”到手指，还在奥巴马总统访问实验室时与他顶拳。

相比起非常成熟的人工耳蜗，让“神经义肢”改善瘫痪会更有难度。由美国凯斯西储大学罗伯特·基尔希教授和博卢·阿吉博耶教授领导的团队，对一个四肢瘫痪者进行了一次实验。他们在瘫痪者的手臂和手掌肌肉安装了超过16个的精细电极，在大脑中放置了两个比邮票还小的硅制记录装置，上面有上百根头发大小的金属探针，来探测神经元发出的命令。在操作过程中，志愿者在弹簧扶手的帮助下缓慢地抬起了他的手臂，并可以实现手掌的张和握，他甚至可以把有吸管的杯子递到嘴边。该项试验是使用植入电子设备来恢复各种感官和功能的广泛研究中的一部分。除了治疗瘫痪外，科学家希望能够使用所谓的“神经义肢”，通过在眼睛中放置芯片来恢复视力，或者是恢复阿尔茨海默病人的记忆。

库尔蒂纳领导的跨国研究团队实验证明，建立人工信息通路第一条途径的“神经旁路”能够使得瘫痪的猴子在短时间内实现行走，显示了巨大的潜力。由于科学家通过脑植入来恢复脊椎损伤引起的运动受损研究方面取得了显著的成果，扭转瘫痪被《麻省理工科技评论》评为2017年10大全球突破性技术之一。未来需要开发生物兼容性更好的材料，使得更多的微型电极能够植入体内，并长期稳定的工作。另外需要研究更有效的算法，对于大脑运动指令进行快速解码，从而实现更精细的运动控制。相信神经科学、材料、信息等领域的發展将在不太遥远的未来使得众多的瘫痪病人重获新生。

编辑：成韵 chengyunpipi@126.com

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