文|陳根
脊髓損傷是脊柱損傷最嚴重的并發(fā)癥，當損傷切斷脊髓或破壞脊髓中的神經通路時，受損的神經纖維可能不再能夠在大腦和肌肉之間傳遞信號，這種再生衰竭通常會導致嚴重和永久性的癱瘓。更糟糕的是，這些軸突無法再生。
根據(jù)美國國家脊髓損傷統(tǒng)計中心的數(shù)據(jù)，美國目前有近30萬人患有脊髓損傷。這些患者的生活可能異常艱難，只有不到3%的完全性脊髓損傷患者能夠恢復基本的身體功能。大約30%的人在最初受傷后的任何一年里至少要重新住院一次，每個患者一生平均花費數(shù)百萬美元的醫(yī)療費用。
并且，脊髓損傷患者的預期壽命明顯低于沒有脊髓損傷的人，而這自20世紀80年代以來就一直沒有改善。目前，針對脊髓損傷導致的癱瘓的治療方法仍然有限，脊髓損傷的預防、治療和康復依然是當今醫(yī)學界的一大難題。
脊髓損傷的可治療希望
脊髓和大腦是人類的中樞神經系統(tǒng)，大腦的任何指令都是通過脊髓傳達到四肢的，同樣，四肢對外界的感知也是通過脊髓傳到大腦加以分析判定來做出反應?？梢哉f，脊髓就相當于通訊系統(tǒng)中的電纜。脊髓的重要性也讓脊髓成為人體結構里面保護最嚴密的一個器官——深藏于人體背后的脊柱里。
盡管如此，疾病和事故仍然可以導致脊髓損傷。簡單來理解，脊髓損傷就是由于疾病和事故導致神經跟外界切斷聯(lián)系，使得脊髓損傷以下的部位任何感覺和運動都會消失。更糟糕的是，脊髓損傷往往是不可逆的。
早在一張公元前1700年的埃及醫(yī)書上，脊髓損傷就被認為是不治之癥。如今，4000年過去了，許多古老的疾病都在現(xiàn)代醫(yī)學的高速發(fā)展下得到了醫(yī)治，而脊髓損傷的治療卻至今沒什么進展。面對脊髓損傷，人們能做的，可能只是用大劑量的激素減壓，減少脊髓損傷的繼發(fā)性損傷，幫助病人適應截癱的生活。
究其原因，是因為通常來說，人體的很多組織器官，例如皮膚、骨頭，一旦損傷以后它會激發(fā)機體形成一個適合再生的微環(huán)境，這會幫助人體進行皮膚修復、骨融合。比如，將人體的組織器官切除一小塊放在顯微鏡下看，就會發(fā)現(xiàn)外面的外基質形成的骨架，主要是膠原蛋白這類支架，還有各種不同的組織細胞在空間里排布，另外還有很多可融性的、特定分布的，包括梯度分布的信號分子能幫助這些細胞生活生存。但是脊髓損傷以后，中樞神經系統(tǒng)卻會形成一個抑制再生的微環(huán)境，干細胞也不能分化成神經元。
面對目前有限的針對脊髓損傷的治療方法，科學家們一直在不斷嘗試新方法幫助患者重新站起來，其中一條治療路徑，就是開發(fā)出一種可應用的治療性神經技術，來提高患者的行動能力。畢竟在大多數(shù)情況下，一些癱瘓患者的大腦和損傷后脊髓中的運動神經元之間仍然存在一些連接。雖然已經不能正常行走，但這些患者仍具備一些簡單的移動能力。
一直以來，科學家們就希望通過神經電刺激，恢復這些患者的運動神經元信號連接，從而實現(xiàn)患者的行走康復。基于此，在腰骶脊髓上進行硬膜外電刺激（EES）成為被廣泛研究的技術之一。
通常，EES是通過背根在脊髓入口處招募傳入纖維，從而導致運動神經元的激活，這些運動神經元嵌入由這些纖維所在的根神經支配的脊髓節(jié)段中。因此，針對單個背根可以調節(jié)特定的運動神經元。
事實上，早在30年前，就有臨床前和臨床研究表明，硬膜外電刺激（ESS）可以恢復脊髓損傷患者的的行走能力。但這需要數(shù)名理療師的協(xié)助，經過數(shù)月高強度訓練才行，而且成功案例極其有限。如果將這些復雜的、罕見的案例轉化為一種可普遍應用的治療方法，是一個巨大的挑戰(zhàn)。
并且，即便是刺激方法通過使用最初設計用于治療疼痛的重新用途的神經技術，為患者的脊髓提供了持續(xù)的電刺激，但這些重新使用的電刺激裝置無法刺激脊髓中與腿部和軀干運動相關的所有神經，也可能會限制所有運動功能的恢復。
時隔四年的EES技術更新
2018年，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院 Grégoire Courtine 博士和洛桑大學醫(yī)院神經外科醫(yī)生 Jocelyne Bloch 就基于靶向神經技術，使用電刺激重新激活脊髓神經元，讓三名慢性截癱患者重新獲得了行走的能力。
彼時，為了更好地通過電刺激增強剩余運動神經元與大腦之間的信號，研究人員首先對人體運動神經元進行了更深的研究，他們確定了人體常規(guī)運動，比如彎曲髖部或伸展踝部，所涉及的脊髓區(qū)域。然后，研究人員在 3 位患者體內植入電刺激器。這 3 位患者均發(fā)生了脊髓損傷，但腿部的運動損傷程度不同。由于確定了脊髓參與行走的部位，研究人員得以通過編程一系列電脈沖，在正確的時間和位置，對脊髓目標區(qū)域進行刺激。
事實上，這種外在的神經電刺激，本身并不會導致機體運動，電刺激更多的是增強了患者本身試圖運動的神經信號。受試者們在 2 天后逐漸適應了電刺激的治療，并在一周時就實現(xiàn)了運動設備輔助下一定程度的行走。
經過五個多月的康復訓練和電刺激治療，參與者的恢復效果得到了進一步提升。重要的是，即使在刺激治療停止后，所有參與者仍保持肌肉運動的一些改善，兩名參與者能夠用拐杖獨立行走，受傷最嚴重的受試者則可以在躺下時移動先前癱瘓的腿。該研究以封面論文形式發(fā)表于 Nature 期刊。
現(xiàn)在，2022年2月8日，由同樣的研究人員再次在國際頂尖醫(yī)學期刊 Nature Medicine 發(fā)表了新 的研究論文。這一次，研究人員開發(fā)了由人工智能軟件控制的個性化脊髓電刺激電極，在植入后通過電刺激激活軀干和腿部肌肉的脊髓區(qū)域，三名完全癱瘓的脊髓損傷患者，在接受治療后幾小時，就恢復了獨立運動能力，能夠站立、行走、騎自行車、游泳和控制軀干運動。
具體來看，研究人員開發(fā)出了一套由人工智能控制的個性化植入系統(tǒng)，稱之為 STIMO-BSI 系統(tǒng)。這套系統(tǒng)包括一個結合高分辨率結構和功能成像的計算模型、電極以及能夠快速支持裝置特異性刺激神經元的軟件。
其中，計算模型相當于拍片，為電極排布和手術植入位置提供指導，電極負責調控控制腿和軀干的位點，軟件則可以用來調整和優(yōu)化靶向背根的位置。軟件與平板電腦整合在一起，用戶可以通過平板電腦選擇自己所需要的行動模式。隨后，研究人員通過將嵌入電極的裝置直接放置在脊髓背根部位，將電極與神經根對齊，從而刺激脊髓的下背部和尾骨。
此外，新研究中，衍生公司 Onward Medical 還將會改造電極，經改造的電極更長更寬，這樣可以覆蓋并激活更多更關鍵的神經元?，F(xiàn)在，每個裝置中都植入了 16 個電極，接下來團隊還計劃植入 32 個電極。事實上，與之前的研究相比，這種裝置從根本上提高療效的核心就在于電極的排列和軟件的結合。
值得一提的是，與先前數(shù)月訓練才能恢復行走的EES方法相比，這種新技術能使3名表現(xiàn)出完全感覺運動麻痹的參與者僅在第一天就可以在跑步機上獨立行走。再過1-3天后，步態(tài)優(yōu)化，且3名參與者均能在多向體重支持系統(tǒng)的支持下在地面上獨立行走，其中2名參與者甚至可以調節(jié)腿部運動的幅度。
根據(jù)EES恢復行走的原則，似乎也可以推廣到其他運動類型。研究人員配置了特定于活動的刺激程序，使3名參與者能夠用他們的腿在水中游泳或在電動自行車上主動踩踏板，甚至是深蹲和腿部推舉。
在長達5個月的康復計劃后，所有3名參與者逐漸恢復了完全的負重能力，在沒有任何幫助的情況下可以進行6分鐘的步行測試，其中一名甚至恢復了爬樓梯和復雜地形行走的能力。這些改進均與腿部和軀干肌肉質量的顯著增加相吻合。
總得來說，在這項最新的研究中，研究人員通過將控制腿部和上身行動的休眠脊髓神經與個性化定制的設備重新結合在一起。而這種可廣泛應用的治療性神經技術，無疑進一步提升了患者的行動能力。
脊髓治療的臨床之路
無論多么前沿的技術，只有真正用于臨床，才會被賦予普適性的意義，從這一角度來看，雖然脊髓電刺激依然面臨諸多障礙，但并非沒有希望。
事實上，早在2015 年，F(xiàn)DA 就批準了 10KHz 高頻脊髓刺激器用于治療疼痛。當前，脊髓電刺激更是已在臨床上廣泛用于治療疼痛等疾病，其有效性和安全性均得到多方驗證。
對于此次研究成果，Grégoire Courtine表示，將會從最初的用途出發(fā)，然后在此基礎上擴展其他疾病治療領域。通過根據(jù)患者疾病和具體病情對刺激裝置的通用模塊進行調整，確定合適的脊髓靶向部位。Jocelyne Bloch 也表示，植入脊髓刺激物后，基于脊髓長度、神經位置和其他因素，對設備進行測試和調整。
Grégoire Courtine 還指出，下一步會在美國和歐洲推進大規(guī)模臨床試驗，驗證這種脊髓刺激植入物是否能夠成為一種可及性的治療方式。研究人員最終的目標是建立一個電極庫，這樣可以供外科醫(yī)生根據(jù)病人的脊髓損傷程度和長度等選擇適合的電極。這樣，針對不同的疾病，醫(yī)生即可挑選合適的電極，即選即用。
當然，這項進展是癱瘓治療進程中的重要里程碑，不過該研究真正走向臨床還需要解決一系列問題。目前來看，這種植入物并不能治愈脊柱損傷，并且目前這項技術仍然過于復雜，無法在日常生活中常規(guī)使用，但患者可以利用它鍛煉肌肉，練習走路，從而提高生活質量。在讓癱瘓患者恢復行動能力的研究路上，這項技術也邁出了重要的一步。
直到如今，脊髓損傷還被人們稱為“不死癌癥”，但值得欣慰的是，雖然目前脊髓損傷的治療方法有限，但是潛在的新型治療方式層出不窮，包括新型注射療法、干細胞治療、腦機接口以及體內植入物的刺激療法。癱瘓患者正迎更多治療方案，或許讓行動能力失而復得，就在不遠的將來。