讓癱瘓者重新行走？腦——脊髓介面研究近況

（題圖來自於搜狐新聞）

腦機介面中有一類技術叫神經旁路技術，這類技術的核心是從大腦解碼神經信號，通過外部的神經信號傳遞通道，讓脊髓損傷的癱患者控制自身的肢體。由於癱患者本身具有肢體且脊髓的信號通路中斷，神經旁路技術比機械手臂更有優勢——使用自己的肢體比使用外部的肢體，從視覺反饋或觸覺反饋來講更容易學習和便於使用。

這裡要介紹的是2016年刊登在nature上的一篇文章，由瑞士聯邦理工學院的研究者和美、英、中等研究者共同製作，解決了讓癱瘓獼猴重新恢復行走的問題。同時，由於研究成果所採用的神經記錄裝置和神經刺激裝置都是無線的，可以讓獼猴更加自由的行走。獼猴所需要植入的全部人造物只有頭部的一個電極陣列和脊髓上的薄膜電極。另外，獼猴還需背一個背包以方便電刺激。

CCTV簡介（youtube)

研究人員對其介紹（youtube）

神經信號通過多電極陣列採集，多電極陣列位於大腦的M1區域對應的腿部運動部分，得到的電極信號被運用於計算機的解碼器解碼獼猴的神經意圖，如屈伸自己的腿部。這樣的神經信號被發送到獼猴背部背的一個信號接收裝置上，同時這個信號接收裝置也能給獼猴脊髓內部的電極發送脈衝， 再由電極直接刺激脊髓上的神經，來讓獼猴的腿部運動。

我們知道運動都是由肌肉來完成的，肌肉的運動受外周神經元末端的突觸產生信號而控制。神經元直接從脊髓傳導到對應的肌肉，譬如說手指的運動神經元，胞體在胸椎的背根膨脹處，軸突沿著手臂一直到肌肉處，突出末端連接著肌肉，因此人能夠自如地控制自己指頭的肌肉運動。科研人員利用神經元的這一特性，只在脊髓傳出神經的位置放置電極，電脈衝通過神經元自身軸突傳送，控制肌肉運動。於是電極被設計成薄膜狀，放電點位於脊髓的神經傳出部分。電極接收信號的裝置位於體內，附著在脊椎骨上，電極發送神經信號的裝置放置在體外的背包上。

解剖學告訴我們，特定的神經元控制特定的肌肉，獼猴運動的時候也是肌肉組成組地按照一定規律在運動。那麼， 怎樣知道獼猴控制哪些脊柱的神經元，要完成特定的動作呢？研究人員採用了肌電的技術。肌電和腦電、心電一樣是身體的電信號。在獼猴運動時採集得到的肌電信號被分類為屈腿和伸腿兩個部分，通過數學上的拓撲對應（肌肉和對應脊髓神經），反推得到了在運動時脊髓神經元的電脈衝變化情況，在獼猴的神經被切斷時，固定動作就對應這樣固定的神經放電模式。

對應固定步態的神經放電模式已經得到，怎樣讓給出對應的步態信號呢？這個時候就需要神經信號的解碼。在獼猴還神經沒有被切斷時記錄了對應步態的神經信號，把這個神經信號和對應步態當做訓練集，訓練解碼器，當獼猴可以運動時再通過對應的神經信號得到運動的意圖。通過運動意圖控制腰部信號接收器進而給神經元發送脈衝最終控制肌肉完成動作。

這項研究的意義在於，通過神經旁路讓癱瘓的獼猴重新獲得行走的技術，給癱瘓病人使用自己肢體重新行走帶來了可能性，同時運用了無線的裝置大大擴展了使用者的運用空間。但局限性在於獼猴不能精確地控制每個肌肉使用多少力量（即使是使用自然界的神經通路，要學會精確控制力量也需要很長時間），因此獼猴只能用四隻腳走路，不能兩條腿，更不用說人類使用這樣的裝置走路。同時，神經解碼、信號傳遞都需要一定時間，這個問題需要工程技術來解決。無線傳輸不能避免雜訊干擾的問題，要想讓使用者順暢地運用神經介面，必須要保證信號的高質量傳輸。