脑机接口（Brain-computer interface，BCI）相信大家都很熟悉了，但对于大脑和控制运动的脊髓区域之间的通讯，使脊髓损伤（Spine-cord injury，SCI）而瘫痪的人恢复站立和行走能力的脑脊髓接口（Brain-spine interface，BSI），似乎报道并不多，今天就来写一写。

有源医疗设备展Medtec了解到，Nature杂志去年所报道的一个成功案例，由瑞士相关大学研究机构、以及大美厂和ONWARD Medical的科学家们所发表，这篇文章也是公开的，感兴趣的筒子们可点击文后“阅读原文”。我们都知道，负责手臂和腿部运动的神经元分别位于脊髓的颈部和腰部，对脊髓这些区域施加硬膜外电刺激（Epidural electrical stimulation，EES），可以重新激活这些神经元。因此，针对单个背根（Individual dorsal root）的程序刺激，可重现预期运动背后的运动神经元的自然时空激活；在实际运用中，配合下肢上的可穿戴传感器中的加速度计和陀螺仪，即可检测相应的预期运动。

图1 来自外周的传入轴突通过背根进入脊髓，这些轴突与中间神经元突触，随后传出纤维，如位于腹角的骨骼肌运动神经元纤维，则通过腹根（Ventral root）离开脊髓（大家可以吃羊蝎子火锅的时候复习下～）

说来原理虽简单，但BSI这座数字桥梁的实施涉及到多项神经技术的挑战，包括从大脑皮层神经记录中解码运动意图的能力。有源医疗设备展Medtec了解到，无创脑电图（Electroencephalography，EEG）已可将运动解码，并被证实与卒中和SCI后康复期间的上肢肌肉功能性电刺激相关联，但在患者日常生活、活动中EEG仍存在着挑战，因这些信号很容易受到运动相关的伪影影响，常需要笨重的插件。因此，BSI系统目前仍然需要插入大脑的皮层内微电极。

同样是这些瑞士科学家们，于2016年在Nature杂志上发表的动物试验（恒河猴，Macaca mulatta）中，他们提到，整个BSI系统是由植入大脑运动皮质腿部区域的皮层内微电极阵列（96个通道，到了人缩减至64个）、硬膜外植入物和具有实时触发功能的脉冲发生器所组成的。他们设计并实现了无线控制系统，使得腿部的伸展和屈曲运动能够得到在线神经解码，并与促进这些运动的刺激程序相关联。

图2 植入BSI的恒河猴示意图。（1）连续三个步态周期记录的光栅图，每条线代表从一个电极识别出的脉冲事件，横轴则表示时间；（2）解码器从这些信号中识别出运动状态；（3）运动状态触发脊髓电刺激方案；（4）连接到腰椎脊髓特定背根的刺激器。左，连续三个步态周期记录的踝关节伸肌（灰色）和屈肌（黑色）的肌电图信号，以及步态站立（灰色）和摆动（黑色）时的腿部运动棒状图分解

图3 显示了向动物腿部肌肉注射逆向解剖示踪剂，以标记运动神经元的过程。3D重建显示了每个标记的运动神经元支配髂腰肌（Iliopsoas，IPS）和内侧腓肠肌（Gastrocnemuis medialis，GM），还包括臀中肌（Gluteus medius，GLU）、股直肌（Rectus femoris，RF）、半腱肌（Semitendinosus，ST）、趾长伸肌（Extensor digitorum longus，EDL）和拇长伸肌（Flexor hallucis longus，FHL）。（b）植入BSI系统后，猴子的微计算机断层扫描；（c）将记录到的腿部肌肉肌电图投射到脊髓中运动神经元的位置上，n=73个步态周期，提取了足离地（-10%～+20%）和足着地（-10%～+30%）的周围图；（d）针对伸展和屈曲热点的电极发出的单脉冲刺激，引起运动神经元激活的中位数空间图

到了临床阶段，研究者们选择了WIMAGINE技术的大脑皮层植入物（替换骨瓣），可给植入物充电的头戴式耳机和ACTIVA RC植入式脉冲发生器（术中放置于腹部皮下囊袋中），整个系统延迟约为100ms。上面视频中的38岁男性，为十年前自行车事故导致的不完全颈椎（C5/C6）损伤，大家可以看到视频中的效果真是立竿见影。

目前，瑞士Lausanne University Hospital（CHUV）的STIMO-BSI试验（NCT04632290）正在进行中，参与者需要接受植入器械前的功能评估、神经外科手术、6周内的校准各种解码器并建立脊髓刺激库、以及15周的物理治疗师神经康复期，研究者将定向追踪至BSI系统的家庭使用3年。但是，在参与该试验一年前，参与者将接受以下双侧手术：1）距舟关节融合术，将趾伸肌移至腓骨肌，将胫骨后肌移至胫骨前肌和趾长伸肌；2）切断所有长趾屈肌肌腱，拇趾指尖关节融合。（这也意味着离大规模应用尚有很多门槛）

有源医疗设备展Medtec了解到，目前扩大这一技术规模需要以下几项发展：首先，大脑皮层植入物的实际应用需要基站、计算单元和天线的小型化。压缩感知、采样电极和特征的动态调整可进一步减少占用空间；其次，脊髓植入物必须具备超快通信能力、多功能刺激参与和来自可穿戴计算单元的直接无线控制；最后，皮质和脊髓植入物可由单个低功耗的集成电路控制，该电路嵌入具有自校准能力的神经形态处理器，可自动将大脑皮质活动转化为刺激程序的更新。与此同时，他们也认为这些发展，并未受到太大的技术限制，有望达到。

那么，今天就写到这。

引用文献：

1.   Henri Lorach, Guillaume Charvet, Jocelyne Bloch, et al. Brain-spine interfaces to reverse paralysis. Natl Sci Rev. 2022 Jan 18;9(10):nwac009.

2.   Capogrosso, M., Milekovic, T., Borton, D. et al. A brain–spine interface alleviating gait deficits after spinal cord injury in primates. Nature 539, 284–288 (2016).

3.   Lorach, H., Galvez, A., Spagnolo, V. et al. Walking naturally after spinal cord injury using a brain–spine interface. Nature 618, 126–133 (2023). 

文章来源： MiHeart