完美(中国)体育-有源医疗设备展Medtec谈脑脊髓接口

2025-01-10

脑机接口（Brain-computer interface，BCI）信赖各人都很认识了，但对于在年夜脑及节制运动的脊髓区域之间的通信，使脊髓毁伤（Spine-cord injury，SCI）而瘫痪的人恢复站立及行走能力的脑脊髓接口（Brain-spine interface，BSI），好像报导其实不多，今天就来写一写。

有源医疗装备展Medtec相识到，Nature杂志去年所报导的一个乐成案例，由瑞士相干年夜学研究机构、以和年夜美厂及ONWARD Medical的科学家们所发表，这篇文章也是公然的，感兴致的筒子们可点击文后“浏览原文”。咱们都知道，卖力手臂及腿部运动的神经元别离位在脊髓的颈部及腰部，对于脊髓这些区域施加硬膜外电刺激（Epidural electrical stimulation，EES），可以从头激活这些神经元。是以，针对于单个违根（Individual dorsal root）的步伐刺激，可重现预期运动暗地里的运动神经元的天然时空激活；于现实应用中，共同下肢上的可穿着传感器中的加快度计及陀螺仪，便可检测响应的预期运动。

图1 来自外周的传入轴突经由过程违根进入脊髓，这些轴突与中间神经元突触，随后传出纤维，如位在腹角的骨骼肌运动神经元纤维，则经由过程腹根（Ventral root）脱离脊髓（各人可以吃羊蝎子暖锅的时辰温习下～）

说来道理虽简朴，但BSI这座数字桥梁的实行触及到多项神经技能的挑战，包括从年夜脑皮层神经记载中解码运动用意的能力。有源医疗装备展Medtec相识到，无创脑电图（Electroencephalography，EEG）已经可将运动解码，并被证明与卒中及SCI后痊愈时期的上肢肌肉功效性电刺激相干联，但于患者一样平常糊口、勾当中EEG仍存于着挑战，因这些旌旗灯号很轻易遭到运动相干的伪影影响，常需要粗笨的插件。是以，BSI体系今朝仍旧需要插入年夜脑的皮层内微电极。

一样是这些瑞士科学家们，在2016年于Nature杂志上发表的动物实验（恒河猴，Macaca mulatta）中，他们提到，整个BSI体系是由植入年夜脑运动皮质腿部区域的皮层内微电极阵列（96个通道，到了人缩减至64个）、硬膜外植入物及具备及时触发功效的脉冲发生器所构成的。他们设计并实现了无线节制体系，使患上腿部的舒展及屈曲运动可以或许获得于线神经解码，并与促成这些运动的刺激步伐相干联。

图2 植入BSI的恒河猴示用意。（1）持续三个步态周期记载的光栅图，每一条线代表从一个电极辨认出的脉冲事务，横轴则暗示时间；（2）解码器从这些旌旗灯号中辨认出运动状况；（3）运动状况触发脊髓电刺激方案；（4）毗连到腰椎脊髓特定违根的刺激器。左，持续三个步态周期记载的踝枢纽关头伸肌（灰色）及屈肌（玄色）的肌电图旌旗灯号，以和步态站立（灰色）及摆动（玄色）时的腿部运动棒状图分化

图3 显示了向动物腿部肌肉打针逆向剖解示踪剂，以标志运动神经元的历程。3D重修显示了每一个标志的运动神经元支配髂腰肌（Iliopsoas，IPS）及内侧腓肠肌（Gastrocnemuis medialis，GM），还有包括臀中肌（Gluteus medius，GLU）、股直肌（Rectus femoris，RF）、半腱肌（Semitendinosus，ST）、趾长伸肌（Extensor digitorum longus，EDL）及拇长伸肌（Flexor hallucis longus，FHL）。（b）植入BSI体系后，山公的微计较机断层扫描；（c）将记载到的腿部肌肉肌电图投射到脊髓中运动神经元的位置上，n=73个步态周期，提取了足离地（-10%～+20%）及足着地（-10%～+30%）的周围图；（d）针对于舒展及屈曲热门的电极发出的单脉冲刺激，引起运动神经元激活的中位数空间图

植入式脉冲发生器（术中放置在腹部皮下囊袋中），整个体系延迟约为100ms。上面视频中的38岁男性，为十年前自行车变乱致使的不彻底颈椎（C5/C6）毁伤，各人可以看到视频中的效果真是立竿见影。

今朝，瑞士Lausanne University Hospital（CHUV）的STIMO-BSI实验（NCT04632290）正于举行中，介入者需要接管植入器械前的功效评估、神经外科手术、6周内的校准各类解码器并成立脊髓刺激库、以和15周的物理医治师神经痊愈期，研究者将定向追踪至BSI体系的家庭利用3年。可是，于介入该实验一年前，介入者将接管如下两侧手术：1）距舟枢纽关头交融术，将趾伸肌移至腓骨肌，将胫骨后肌移至胫骨前肌及趾长伸肌；2）堵截所有长趾屈肌肌腱，拇趾指尖枢纽关头交融。（这也象征着离年夜范围运用另有许多门坎）

有源医疗装备展Medtec相识到，今朝扩展这一技能范围需要如下几项成长：起首，年夜脑皮层植入物的现实运用需要基站、计较单位及天线的小型化。压缩感知、采样电极及特性的动态调解可进一步削减占用空间；其次，脊髓植入物必需具有超快通讯能力、多功效刺激介入及来自可穿着计较单位的直接无线节制；末了，皮质及脊髓植入物可由单个低功耗的集成电路节制，该电路嵌入具备自校准能力的神经形态处置惩罚器，可主动将年夜脑皮质勾当转化为刺激步伐的更新。与此同时，他们也认为这些成长，并未遭到太年夜的技能限定，有望到达。

那末，今天就写到这。

援用文献：

1.   Henri Lorach, Guillaume Charvet, Jocelyne Bloch, et al. Brain-spine interfaces to reverse paralysis. Natl Sci Rev. 2022 Jan 18;9(10):nwac009.

2.   Capogrosso, M., Milekovic, T., Borton, D. et al. A brain–spine interface alleviating gait deficits after spinal cord injury in primates. Nature 539, 284–288 (2016).

3.   Lorach, H., Galvez, A., Spagnolo, V. et al. Walking naturally after spinal cord injury using a brain–spine interface. Nature 618, 126–133 (2023). 

文章来历： MiHeart

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