神經(jīng)旁路系統(tǒng)

程超

控制運(yùn)動(dòng)的“司令部”位于大腦皮層，最終的“執(zhí)行官”就是分布在身體各處的肌肉，大腦皮層與肌肉之間的指揮信號(hào)靠神經(jīng)傳導(dǎo)，脊髓是神經(jīng)信號(hào)傳導(dǎo)的必經(jīng)之路。如果脊髓發(fā)生損傷，“神經(jīng)高速公路”就會(huì)被截?cái)?，神?jīng)控制信號(hào)也就無法傳遞了。這時(shí)候，盡管患者的肌肉和大腦都完好無損，但運(yùn)動(dòng)功能還是無法實(shí)現(xiàn)，這就會(huì)導(dǎo)致“截癱”。

19歲的美國(guó)小伙伊恩不幸意外撞壞了脖子，第5頸椎處的脊髓受到嚴(yán)重?fù)p傷，因此癱瘓，失去手部運(yùn)動(dòng)能力，自由自在的生活從此一去不復(fù)返。

像伊恩這樣因意外導(dǎo)致的脊髓損傷病人不在少數(shù)，但是大家都知道脊髓的神經(jīng)損傷很難修復(fù)，許多人不得不面對(duì)終身癱瘓。

繞過受傷的脊髓

修復(fù)損傷的脊髓神經(jīng)很難，科學(xué)家們就打破習(xí)慣思維，想方設(shè)法繞過脊髓傳遞神經(jīng)信號(hào)，但是這也很不容易。有不少實(shí)驗(yàn)室研發(fā)出了讓大腦直接對(duì)機(jī)械“發(fā)號(hào)施令”的腦機(jī)接口，通過植入芯片，癱瘓者能夠用機(jī)械手給自己拿來一杯飲料；在實(shí)驗(yàn)室里，猴子還用“意念”開起了輪椅。

最近，美國(guó)巴特爾紀(jì)念研究所在神經(jīng)科學(xué)和神經(jīng)工程上有了一項(xiàng)重大突破。新的研究成果是一套被科學(xué)家們稱作“神經(jīng)旁路系統(tǒng)”（NBS）的新型設(shè)備。它可以繞過患者受損的脊髓，將植入式腦機(jī)接口與電刺激結(jié)合，在大腦和手臂之間建立起一條全新的信息通路，實(shí)現(xiàn)對(duì)癱瘓肢體較為精細(xì)的控制。

伊恩有幸成為這個(gè)研究的第一個(gè)受益者。為了建立起繞過脊髓的神經(jīng)旁路，研究者們首先通過磁共振掃描在伊恩的左半球運(yùn)動(dòng)皮層上識(shí)別出了負(fù)責(zé)右手運(yùn)動(dòng)的區(qū)域，然后在這塊腦皮層上植入了一塊約有5毫米見方的電極陣列。陣列上均勻分布了96個(gè)探針電極，將電極附近的神經(jīng)信號(hào)源源不斷地傳輸?shù)诫姌O后端的工作站上。經(jīng)過工作站上“機(jī)器學(xué)習(xí)”算法的處理，伊恩的運(yùn)動(dòng)意圖被解讀出來，轉(zhuǎn)化成電刺激信號(hào)，通過貼在手臂上的電極刺激肌肉，最終讓伊恩自己的肢體動(dòng)起來。

在實(shí)驗(yàn)的初期，科學(xué)家為伊恩播放手部運(yùn)動(dòng)的三維動(dòng)畫，讓伊恩想象自己在按照動(dòng)畫做手部運(yùn)動(dòng)。此時(shí)大腦產(chǎn)生的活動(dòng)會(huì)被陣列電極捕捉，再由機(jī)器學(xué)習(xí)算法不斷“領(lǐng)會(huì)”。經(jīng)過人與機(jī)器的多次訓(xùn)練“磨合”之后，伊恩再想象某個(gè)手部運(yùn)動(dòng)時(shí)，算法就會(huì)識(shí)別出來，并驅(qū)動(dòng)肌肉完成這個(gè)動(dòng)作。

癱瘓的手指動(dòng)起來

在適應(yīng)了NBS系統(tǒng)的操作方式之后，伊恩做出了久違的手腕屈伸、手掌開合等動(dòng)作。最終，奇跡出現(xiàn)了，伊恩用原本癱瘓的手順暢地完成了抓握瓶子、刷卡等一系列動(dòng)作，甚至還玩起了“吉他英雄”的游戲，展示了NBS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精細(xì)手指控制的能力。

此項(xiàng)研究成果激動(dòng)人心之處在于，它讓癱瘓人士重新恢復(fù)了肢體功能，而且還是重要的手部功能，不僅實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)單的手指運(yùn)動(dòng)，還能讓患者掌握拇指屈伸、中指屈伸等單個(gè)手指的精細(xì)動(dòng)作。有了這些控制上的細(xì)節(jié)，抓握瓶子、倒水、攪拌等動(dòng)作都可以順利完成，將為患者的生活帶來極大的便利。

伊恩的成功讓人們對(duì)這項(xiàng)研究的發(fā)展充滿期待。目前，這套新技術(shù)還在繼續(xù)研究和改進(jìn)，最終希望能夠推廣到更多的神經(jīng)干預(yù)和神經(jīng)康復(fù)治療中，讓腦卒中、顱腦損傷等各種神經(jīng)運(yùn)動(dòng)障礙的患者都能從中獲得幫助。