神經旁路系統

程超

控制運動的“司令部”位于大腦皮層，最終的“執行官”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靠神經傳導，脊髓是神經信號傳導的必經之路。如果脊髓發生損傷，“神經高速公路”就會被截斷，神經控制信號也就無法傳遞了。這時候，盡管患者的肌肉和大腦都完好無損，但運動功能還是無法實現，這就會導致“截癱”。

19歲的美國小伙伊恩不幸意外撞壞了脖子，第5頸椎處的脊髓受到嚴重損傷，因此癱瘓，失去手部運動能力，自由自在的生活從此一去不復返。

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

繞過受傷的脊髓

修復損傷的脊髓神經很難，科學家們就打破習慣思維，想方設法繞過脊髓傳遞神經信號，但是這也很不容易。有不少實驗室研發出了讓大腦直接對機械“發號施令”的腦機接口，通過植入芯片，癱瘓者能夠用機械手給自己拿來一杯飲料；在實驗室里，猴子還用“意念”開起了輪椅。

最近，美國巴特爾紀念研究所在神經科學和神經工程上有了一項重大突破。新的研究成果是一套被科學家們稱作“神經旁路系統”（NBS）的新型設備。它可以繞過患者受損的脊髓，將植入式腦機接口與電刺激結合，在大腦和手臂之間建立起一條全新的信息通路，實現對癱瘓肢體較為精細的控制。

伊恩有幸成為這個研究的第一個受益者。為了建立起繞過脊髓的神經旁路，研究者們首先通過磁共振掃描在伊恩的左半球運動皮層上識別出了負責右手運動的區域，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個探針電極，將電極附近的神經信號源源不斷地傳輸到電極后端的工作站上。經過工作站上“機器學習”算法的處理，伊恩的運動意圖被解讀出來，轉化成電刺激信號，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起來。

在實驗的初期，科學家為伊恩播放手部運動的三維動畫，讓伊恩想象自己在按照動畫做手部運動。此時大腦產生的活動會被陣列電極捕捉，再由機器學習算法不斷“領會”。經過人與機器的多次訓練“磨合”之后，伊恩再想象某個手部運動時，算法就會識別出來，并驅動肌肉完成這個動作。

癱瘓的手指動起來

在適應了NBS系統的操作方式之后，伊恩做出了久違的手腕屈伸、手掌開合等動作。最終，奇跡出現了，伊恩用原本癱瘓的手順暢地完成了抓握瓶子、刷卡等一系列動作，甚至還玩起了“吉他英雄”的游戲，展示了NBS系統實現精細手指控制的能力。

此項研究成果激動人心之處在于，它讓癱瘓人士重新恢復了肢體功能，而且還是重要的手部功能，不僅實現了簡單的手指運動，還能讓患者掌握拇指屈伸、中指屈伸等單個手指的精細動作。有了這些控制上的細節，抓握瓶子、倒水、攪拌等動作都可以順利完成，將為患者的生活帶來極大的便利。

伊恩的成功讓人們對這項研究的發展充滿期待。目前，這套新技術還在繼續研究和改進，最終希望能夠推廣到更多的神經干預和神經康復治療中，讓腦卒中、顱腦損傷等各種神經運動障礙的患者都能從中獲得幫助。