针对腰骶脊髓的硬膜外电刺激 (Epidural electrical stimulation, EES) 可以恢复脊髓损伤 (spinal cord injury, SCI) 患者的行走能力。已有研究证明在多名物理治疗师的协助下，经过数月的高强度训练后，部分接受治疗的运动完全瘫痪患者甚至可以带着EES在地面行走，但现有方法无法在人力资源有限的情况下完成对运动能力的快速恢复和灵活调节。
EES是通过背根在脊髓入口处招募传入纤维，从而导致运动神经元的激活，这些运动神经元嵌入由这些纤维所在的根神经支配的脊髓节段中。因此，针对单个背根可以调节特定的运动神经元。根据这一生物学原理研究人员开发了EES程序，能以预定时间为靶向单个背根，以在行走过程中再现运动神经元的自然时空激活模式。与先前连续EES相比，这种仿生刺激程序在SCI后能介导更出色的行走能力恢复。然而，这种技术包含针对脊髓背柱的电极排列的桨状导线，旨在减轻疼痛，但运动功能的恢复需要针对背根，现有桨状导线的长度限制了EES能够靶向的背根数量。因而需要设计一种新的技术以利用EES在SCI后恢复运动的生物学原理【1-5】。
2022年2月7日，来自瑞士联邦理工学院的Grégoire Courtine团队和Jocelyne Bloch团队在Nature Medicine杂志上合作发表了一篇题为 Activity-dependent spinal cord neuromodulation rapidly restores trunk and leg motor functions after complete paralysis 的文章，研究人员设计并制造了一种针对参与腿部和下躯干运动的整体背根的桨状导线，建立了一个结合高分辨率结构和功能成像的计算框架以优化该导线的定位，并开发了支持快速进行仿生刺激程序的软件。研究人员旨在利用这一专门构建的神经技术组合来制定依赖于活动的仿生刺激程序，以解决SCI个体严重的运动能力缺陷。
研究人员认为确定电极的最佳排列需要将分析限制在决定EES选择性的关键特征上，这些特征包括：1）脊髓的头尾分布，根据浆的最佳长度沿着头尾方向均匀分布电极；2）横向位置的确认，通过模拟发现将电极放在距中线4.7 mm处将减轻中外侧偏差影响；3）引导电流的中线位置，模拟显示使用侧向和中线电极创建多极配置可将电流引向目标根部，同时最大限度地减少对侧根部的募集；4）骶骨区域的排列，因为骶骨节段周围腰根的凝集阻碍了骶骨根进入区的选择性募集。研究人员根据这4个特征确认16个电极的排列。然而，在15个计算模型中，不同模型间的性能差异很大，是由电极的固定排列和脊髓拓扑结构的可变性之间不匹配所致。因此，精确的术前计划以优化电极的定位至关重要。
图1. 根据4个关键特征完成的电极最佳排列。
值得注意的是，与先前数月训练才能恢复行走的EES方法相比，这种新技术能使3名表现出完全感觉运动麻痹的参与者仅在第一天就可以在跑步机上独立行走，尽管步态较差。再过1-3天后，步态优化，且3名参与者均能在多向体重支持系统的支持下在地面上独立行走，其中2名参与者甚至可以调节腿部运动的幅度。根据EES恢复行走的原则，似乎也可以推广到其他运动类型。研究人员配置了特定于活动的刺激程序，使3名参与者能够用他们的腿在水中游泳或在电动自行车上主动踩踏板，甚至是深蹲和腿部推举。在长达5个月的康复计划后，所有3名参与者逐渐恢复了完全的负重能力，在没有任何帮助的情况下可以进行6 min的步行测试，其中一名甚至恢复了爬楼梯和复杂地形行走的能力。这些改进均与腿部和躯干肌肉质量的显着增加相吻合。
图2. 通过不同的刺激程序，参与者可实现除了行走之外其他运动能力的恢复
总之，这项研究展示了一种强大的仿生EES技术，能使3名完全瘫痪患者在1天内恢复多项运动能力，且研究中提供的计算框架能为不同患者“量身定制”最佳的电极和导线安置。总的来说，这种疗法对于改善SCI患者严重缺陷的运动能力具有重要临床意义。
原文链接：
https://doi.org/10.1038/s41591-021-01663-5
制版人：十一
参考文献
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