想象一下,一只脊髓被切断的小鼠,它突然重新站立起来,向着面前的瑞士巧克力冲刺。医学奇迹的降临会是因为小鼠也迷恋瑞士巧克力吗?不。这是因为科学家用电激发了小鼠神经网络的活力。小鼠在经过长达数月的训练和理疗后,最终得以奔向美味的食物。


2013年,瑞士洛桑联邦理工学院的神经科学家格雷古瓦·库尔廷(Gregoire Courtine)曾在TED大会上介绍过如何让小鼠恢复下肢运动能力的过程。最近,他和同事们更进一步,使用硬膜外电刺激(epidural electrical stimulation,简称EES)疗法,帮助脊髓受损的瘫痪人士恢复行走能力,已经有3名参与试验的患者恢复了行走和站立运动能力。人们不禁好奇,电刺激疗法是基于何种生物学原理,未来它是脊柱损伤患者的福音吗?


本文来自微信公众号:深究科学(ID:deepscience),作者:钱凝露,编辑:常春藤,头图来自:视觉中国


上周,瑞士洛桑联邦理工学院神经恢复研究中心公布了一项新研究,为脊髓受损的患者带来了希望。


研究者发现,控制腿部运动区域,再使用EES疗法刺激脊髓,患者就能够恢复下肢运动能力,萎缩退化的肌肉群也有望得到恢复,同时也减少了站立后的晕厥次数。


这简直是脊髓损伤者的福音,带来这一奇迹的正是上文提及的库尔廷。


一、被唤醒的一小步


谈到库尔廷的研究,我们还得从已故美国演员克里斯托弗·里夫(Christopher Reeve)说起。


里夫曾经参演过四部超人系列电影,荧幕上他演绎的“钢铁硬汉”深入人心。在人们心里,他就是无所不能的“超人”,但一次坠马让他失去了重回荧幕的机会。


受伤之后,里夫成了脊髓受损人士的代言人,和妻子携手成立基金会,帮助更多脊髓受损的患者。


克里斯托弗·里夫(Christopher Reeve),图源维基百科<br label=图片备注 class=text-img-note>
克里斯托弗·里夫(Christopher Reeve),图源维基百科


库尔廷曾经在里夫基金会工作过,而里夫以曾经对他的建议深深烙刻在他的脑海里:


“明天,当你们离开实验室的时候,我希望你们能去康复中心,看看那些脊髓受损的患者,如何费劲全力迈出一小步、如何保持自己的平衡。在你到家之后,仔细想想是否需要改变自己的研究方向、能不能让他们的生活更加美好。”


“超人”的演员虽然已经逝去,但“超人”的精神被库尔廷和他的实验室贯彻并坚持。十年来,他们一直坚持实用主义,想要把研究成果运用在真正有需要的患者身上,也非常重视患者的体验。


通常来说,脊髓受损的患者会被要求进行轮椅训练,或者使用下肢矫形器训练站立、步行。


图片来自spirit.bfh.ch<br label=图片备注 class=text-img-note>
图片来自spirit.bfh.ch


但借助外物的生活终究和原本的体验差异甚大,虽然生理上会逐渐适应这一过程,但心理上很难接受今后的生活都要依仗这些器材。


而库尔廷的EES疗法有所不同:使用植入电极,将电脉冲传递给脊髓下神经,激发神经网络的活力。经过长时间的专业康复训练,3名参与试验的人都能够自己重新站立、走路,或者能够借助拐杖前进。


EES疗法让脊髓受损的患者有望丢掉拐杖、抛开轮椅,重新恢复脚踩大地的实感,对于患者来说非常具有吸引力。


那么,这种疗法是基于怎样的生物学原理?


二、假如运动神经系统是辆车


要理解库尔廷的EES疗法,我们还得回答他在2013年TED大会上提出的问题。


“假设运动神经系统是辆车,引擎就是脊髓。现在变速箱坏了,引擎熄火了,我们要怎么办?”


这听起来很像“如何把大象塞进冰箱”的问题——看似不可能做到,但实际答案非常简单、却直指核心。


图片来自:TED
图片来自:TED


“首先,加好油,再踩油门,最后握紧方向盘。”


库尔廷接着为自己的比喻解释。他说,EES疗法的作用就是发射无痛的电击,模拟大脑向脊髓发送神经信号,让运动神经系统准备好。


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图源actu.epfl.ch


怎样让电击模拟原本的运动规律对神经元进行刺激呢?为了寻求这个问题的答案,库尔廷的研究小组首先研究建立了一个小鼠模型,同时也为小鼠脊髓的不同神经元构建了一个基因表达单细胞图谱。


脊髓神经元图谱,图源actu.epfl.ch<br label=图片备注 class=text-img-note>
脊髓神经元图谱,图源actu.epfl.ch


通过将上述模型与分子图谱相结合,他们鉴定出了一类特定的兴奋性神经元,这类神经元对于脊髓损伤后恢复行走能力十分重要。这也是使用EES疗法的生物学基础与核心。


第二步则是在患者身上植入电极,进行调试。


在患者重新尝试站立的过程中,还有一个非常危险的“拦路虎”,那就是直立性低血压。直立姿势会引起晕厥发作,使患者无法短时间站立和行走。


科学家植入的电极此时充当了恢复血压调节的系统,通过能够检测体位变化的加速度计,对胸脊髓进行硬膜外电刺激。


图中B为患者在植入电极前后的晕厥次数,图中C为患者植入电极前后的步行距离 图源nejm.org<br label=图片备注 class=text-img-note>
图中B为患者在植入电极前后的晕厥次数,图中C为患者植入电极前后的步行距离 图源nejm.org


可以看到,植入电极以后,患者的身体状况有所好转,行走能力从零到百米。在保证患者恢复运动能力的同时,也解决了相应的健康隐患。


三、EES的临床应用还有多远?


库尔廷团队研发的EES疗法仍需要更多的研究和临床测试,那么这门技术距离临床应用还有多少步?


首先是植入电极对患者身体健康的影响。EES技术需要将电极植入患者皮肤,然而植入的手术可能会增加感染风险。植入电极的另一个重要缺点是,一旦电极被植入后,它们的位置不能轻易改变,这可能会影响电极的使用寿命、导致重复的植入手术增加患者不必要的痛苦。


另一个问题是使用植入电极的费用和代价。刺激电极的位置需要根据患者个体的神经元位置进行长时间调试,“定制”式的调整会大大影响它在患者群体中的普及性。


会影响电极植入的身体状况 图源ncbi.nlm.nih.gov<br label=图片备注 class=text-img-note>
会影响电极植入的身体状况 图源ncbi.nlm.nih.gov


EES技术对于患者的身体状态也有较多要求。例如不能下肢有压疮等压力性损伤,这会影响植入电极。然而经常躺卧、久坐的脊髓受损人士很难没有压疮,需要非常细心的护理才能摆脱这一问题。


对此,昆士兰大学(The University of Queensland)生物医学学院副教授、神经学家马克·鲁腾贝格(Marc Ruitenberg)表示,重新恢复站立行走通常不是脊髓受损的瘫痪者首先考虑的问题,膀胱控制、肠道控制和性功能的丧失会对瘫痪者的生活质量产生更大的影响。


“看看这些功能是否也可以通过这项技术得到改进,如果能做到,这项诊疗技术会非常吸引患者的兴趣。”鲁腾贝格补充道。


库尔廷的研究成果若是能真正广泛应用于脊髓受损人士的康复工作,让脊髓受损的患者扔掉拐杖,想必已逝的克里斯托弗·里夫会非常欣慰。


尽管目前还有很多需要解决的问题,但该领域的诸多难题正逐步得到克服。


参考资料

1.Electrical stimulation helps paralysed people walk again — and now we know why(Nature)

2.Functional electrical stimulation therapy for restoration of motor function after spinal cord injury and stroke: a review(National Library of Medicine)

3.Scientists identify neurons that restore walking after paralysis(EPFL News)

4.Implanted System for Orthostatic Hypotension in Multiple-System Atrophy(NEJM)


本文来自微信公众号:深究科学(ID:deepscience),作者:钱凝露