文|陳根
脊髓損傷是脊柱損傷最嚴(yán)重的并發(fā)癥，當(dāng)損傷切斷脊髓或破壞脊髓中的神經(jīng)通路時(shí)，受損的神經(jīng)纖維可能不再能夠在大腦和肌肉之間傳遞信號(hào)，這種再生衰竭通常會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)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(guó)國(guó)家脊髓損傷統(tǒng)計(jì)中心的數(shù)據(jù)，美國(guó)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(fù)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(gè)患者一生平均花費(fèi)數(shù)百萬美元的醫(yī)療費(fèi)用。
并且，脊髓損傷患者的預(yù)期壽命明顯低于沒有脊髓損傷的人，而這自20世紀(jì)80年代以來就一直沒有改善。目前，針對(duì)脊髓損傷導(dǎo)致的癱瘓的治療方法仍然有限，脊髓損傷的預(yù)防、治療和康復(fù)依然是當(dāng)今醫(yī)學(xué)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(jīng)系統(tǒng)，大腦的任何指令都是通過脊髓傳達(dá)到四肢的，同樣，四肢對(duì)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(yīng)。可以說，脊髓就相當(dāng)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(jié)構(gòu)里面保護(hù)最嚴(yán)密的一個(gè)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(dǎo)致脊髓損傷。簡(jiǎn)單來理解，脊髓損傷就是由于疾病和事故導(dǎo)致神經(jīng)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(yùn)動(dòng)都會(huì)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(rèn)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(xué)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(jìn)展。面對(duì)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(yīng)截癱的生活。
究其原因，是因?yàn)橥ǔ碚f，人體的很多組織器官，例如皮膚、骨頭，一旦損傷以后它會(huì)激發(fā)機(jī)體形成一個(gè)適合再生的微環(huán)境，這會(huì)幫助人體進(jìn)行皮膚修復(fù)、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(huì)發(fā)現(xiàn)外面的外基質(zhì)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(xì)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(hào)分子能幫助這些細(xì)胞生活生存。但是脊髓損傷以后，中樞神經(jīng)系統(tǒng)卻會(huì)形成一個(gè)抑制再生的微環(huán)境，干細(xì)胞也不能分化成神經(jīng)元。
面對(duì)目前有限的針對(duì)脊髓損傷的治療方法，科學(xué)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(yīng)用的治療性神經(jīng)技術(shù)，來提高患者的行動(dòng)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(yùn)動(dòng)神經(jīng)元之間仍然存在一些連接。雖然已經(jīng)不能正常行走，但這些患者仍具備一些簡(jiǎn)單的移動(dòng)能力。
一直以來，科學(xué)家們就希望通過神經(jīng)電刺激，恢復(fù)這些患者的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元信號(hào)連接，從而實(shí)現(xiàn)患者的行走康復(fù)?；诖?，在腰骶脊髓上進(jìn)行硬膜外電刺激（EES）成為被廣泛研究的技術(shù)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(dǎo)致運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的激活，這些運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元嵌入由這些纖維所在的根神經(jīng)支配的脊髓節(jié)段中。因此，針對(duì)單個(gè)背根可以調(diào)節(jié)特定的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元。
事實(shí)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(fù)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(jīng)過數(shù)月高強(qiáng)度訓(xùn)練才行，而且成功案例極其有限。如果將這些復(fù)雜的、罕見的案例轉(zhuǎn)化為一種可普遍應(yīng)用的治療方法，是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。
并且，即便是刺激方法通過使用最初設(shè)計(jì)用于治療疼痛的重新用途的神經(jīng)技術(shù)，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(yùn)動(dòng)相關(guān)的所有神經(jīng)，也可能會(huì)限制所有運(yùn)動(dòng)功能的恢復(fù)。
時(shí)隔四年的EES技術(shù)更新
2018年，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院 Grégoire Courtine 博士和洛桑大學(xué)醫(yī)院神經(jīng)外科醫(yī)生 Jocelyne Bloch 就基于靶向神經(jīng)技術(shù)，使用電刺激重新激活脊髓神經(jīng)元，讓三名慢性截癱患者重新獲得了行走的能力。
彼時(shí)，為了更好地通過電刺激增強(qiáng)剩余運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元與大腦之間的信號(hào)，研究人員首先對(duì)人體運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元進(jìn)行了更深的研究，他們確定了人體常規(guī)運(yùn)動(dòng)，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(nèi)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(yùn)動(dòng)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(shí)間和位置，對(duì)脊髓目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行刺激。
事實(shí)上，這種外在的神經(jīng)電刺激，本身并不會(huì)導(dǎo)致機(jī)體運(yùn)動(dòng)，電刺激更多的是增強(qiáng)了患者本身試圖運(yùn)動(dòng)的神經(jīng)信號(hào)。受試者們?cè)?nbsp;2 天后逐漸適應(yīng)了電刺激的治療，并在一周時(shí)就實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)設(shè)備輔助下一定程度的行走。
經(jīng)過五個(gè)多月的康復(fù)訓(xùn)練和電刺激治療，參與者的恢復(fù)效果得到了進(jìn)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(yùn)動(dòng)的一些改善，兩名參與者能夠用拐杖獨(dú)立行走，受傷最嚴(yán)重的受試者則可以在躺下時(shí)移動(dòng)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(guó)際頂尖醫(yī)學(xué)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(gè)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(shí)，就恢復(fù)了獨(dú)立運(yùn)動(dòng)能力，能夠站立、行走、騎自行車、游泳和控制軀干運(yùn)動(dòng)。
具體來看，研究人員開發(fā)出了一套由人工智能控制的個(gè)性化植入系統(tǒng)，稱之為 STIMO-BSI 系統(tǒng)。這套系統(tǒng)包括一個(gè)結(jié)合高分辨率結(jié)構(gòu)和功能成像的計(jì)算模型、電極以及能夠快速支持裝置特異性刺激神經(jīng)元的軟件。
其中，計(jì)算模型相當(dāng)于拍片，為電極排布和手術(shù)植入位置提供指導(dǎo)，電極負(fù)責(zé)調(diào)控控制腿和軀干的位點(diǎn)，軟件則可以用來調(diào)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(dòng)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(jīng)根對(duì)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(huì)改造電極，經(jīng)改造的電極更長(zhǎng)更寬，這樣可以覆蓋并激活更多更關(guān)鍵的神經(jīng)元?，F(xiàn)在，每個(gè)裝置中都植入了 16 個(gè)電極，接下來團(tuán)隊(duì)還計(jì)劃植入 32 個(gè)電極。事實(shí)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(jié)合。
值得一提的是，與先前數(shù)月訓(xùn)練才能恢復(fù)行走的EES方法相比，這種新技術(shù)能使3名表現(xiàn)出完全感覺運(yùn)動(dòng)麻痹的參與者僅在第一天就可以在跑步機(jī)上獨(dú)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(dú)立行走，其中2名參與者甚至可以調(diào)節(jié)腿部運(yùn)動(dòng)的幅度。
根據(jù)EES恢復(fù)行走的原則，似乎也可以推廣到其他運(yùn)動(dòng)類型。研究人員配置了特定于活動(dòng)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(dòng)自行車上主動(dòng)踩踏板，甚至是深蹲和腿部推舉。
在長(zhǎng)達(dá)5個(gè)月的康復(fù)計(jì)劃后，所有3名參與者逐漸恢復(fù)了完全的負(fù)重能力，在沒有任何幫助的情況下可以進(jìn)行6分鐘的步行測(cè)試，其中一名甚至恢復(fù)了爬樓梯和復(fù)雜地形行走的能力。這些改進(jìn)均與腿部和軀干肌肉質(zhì)量的顯著增加相吻合。
總得來說，在這項(xiàng)最新的研究中，研究人員通過將控制腿部和上身行動(dòng)的休眠脊髓神經(jīng)與個(gè)性化定制的設(shè)備重新結(jié)合在一起。而這種可廣泛應(yīng)用的治療性神經(jīng)技術(shù)，無疑進(jìn)一步提升了患者的行動(dòng)能力。
脊髓治療的臨床之路
無論多么前沿的技術(shù)，只有真正用于臨床，才會(huì)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(shí)上，早在2015 年，F(xiàn)DA 就批準(zhǔn)了 10KHz 高頻脊髓刺激器用于治療疼痛。當(dāng)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(yàn)證。
對(duì)于此次研究成果，Grégoire Courtine表示，將會(huì)從最初的用途出發(fā)，然后在此基礎(chǔ)上擴(kuò)展其他疾病治療領(lǐng)域。通過根據(jù)患者疾病和具體病情對(duì)刺激裝置的通用模塊進(jìn)行調(diào)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(zhǎng)度、神經(jīng)位置和其他因素，對(duì)設(shè)備進(jìn)行測(cè)試和調(diào)整。
Grégoire Courtine 還指出，下一步會(huì)在美國(guó)和歐洲推進(jìn)大規(guī)模臨床試驗(yàn)，驗(yàn)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(biāo)是建立一個(gè)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(zhǎng)度等選擇適合的電極。這樣，針對(duì)不同的疾病，醫(yī)生即可挑選合適的電極，即選即用。
當(dāng)然，這項(xiàng)進(jìn)展是癱瘓治療進(jìn)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(xiàng)技術(shù)仍然過于復(fù)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(xí)走路，從而提高生活質(zhì)量。在讓癱瘓患者恢復(fù)行動(dòng)能力的研究路上，這項(xiàng)技術(shù)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(xì)胞治療、腦機(jī)接口以及體內(nèi)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(dòng)能力失而復(fù)得，就在不遠(yuǎn)的將來。