医学奇迹？电刺激有望让瘫痪人士恢复行走能力

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

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

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

“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。

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

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

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

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