芯片植入，喚醒沉睡的運動神經

肖優明

“神經旁路”創奇跡

在許多科幻作品中，作者設想過將人腦與電腦相結合，試著修復患者身上已損壞的脊髓神經，用意念操控機械，使截癱人士擺脫輪椅，重新站立和行走。然而，最近發表在《自然》雜志上的一項研究卻擯棄固有思路，讓植入裝置充當大腦和腿部之間的“信使”，首次實現了癱瘓靈長類動物行走能力的恢復。

大腦神經網絡處理信息時，會產生特殊的電信號。在靈長類動物的腦部，驅動行走的信號來自一個名為運動皮層的區域，大小相當于一角的硬幣。在動物體內，電信號會沿著脊柱神經向下，傳遞到腰部，從那里指導腿部肌肉開始運動，實現行走。但是如果遭遇外傷，這種連接就會受到損害，引起癱瘓。盡管腦部仍然會產生正確的信號，腿部的肌肉激活系統也毫發無損，但是信號到不了腿部。由此可見，研究人員通過實時無線技術重建這種連接，可稱得上是前所未有的成就。

由法國神經學家格雷瓜爾·庫爾蒂納領導的一支跨國研究團隊，將芯片植入兩只脊髓損傷的猴子大腦，發送無線信號，激活植于受傷的脊髓下段的接收器和脊髓電極，喚醒沉睡的運動神經，讓它們奇跡般地恢復了自主行走。

脊髓損傷治療是醫學難題，因為中樞神經系統屬于難以再生組織，一旦損傷往往終身癱瘓。脊髓被稱之為神經的“橋梁”，如果被切斷了，傳統的治療方法是去修復這座“橋梁”。受傷的神經纖維通過刺激重新生長，最終使“橋梁”通車。然而庫爾蒂納認為這種療法過于復雜，實施起來難度太大。還有一個辦法是通過外骨骼，給患者造一根能行走的自動化機械拐杖。

庫爾蒂納大膽設想，與其對“橋梁”進行修補，還不如在空中建一座新的無形“橋梁”。即腦中的電極捕捉到運動指令后，可以通過無線網絡，繞過脊髓損傷區域，直接激活損傷的下段脊髓，向肢體傳遞神經信號。利用人工無線信號重建大腦和脊髓的聯系，談何容易。最困難的是研發所有需要的技術，并且把它們全部融合在一起……庫爾蒂納自己都覺得這個創建“神經旁路”的想法瘋狂。然而他最終還是鼓足勇氣告訴了導師，對方思考了一會兒后鼓勵他動手一試。

這絕不是一項簡單的工程，有包括中國在內的7個國家11家機構的近百位神經生物學家、神經外科醫生、工程師和理療師等研究人員參與。庫爾蒂納和他的團隊為此努力了整整7年。在此之前，他們曾經在癱瘓的大鼠身上試驗成功。在給大鼠脊髓下部安裝電極并發送模擬大腦發出的電信號后，它竟然不用大腦完全參與就站了起來。但不久后，科學家們發現大鼠的這種運動完全不是主動的，因為它實際上無法控制自己的腿。究其原因，在于缺少一個方向盤。

猴子是更加接近人類的靈長類動物，施救意義重大。挑戰大腦解碼是實際操作的第一關，研究人員導出猴子運動時的腦電活動，然后通過剔除無數干擾，在眾多紛雜的信號中最終找到控制右下肢活動的那個關鍵信號。這個過程看似簡單，然而做起來卻困難重重。為了收集和研究大腦信號，研究人員常常夜以繼日，廢寢忘食。

在捕獲到關鍵信號后，他們在癱瘓猴子的腦部和損傷的脊髓下面，分別安裝了電極。如果它想要控制自己的右下肢，大腦便會發出特定的電信號。當這個信號被腦中的電極捕捉到以后，便會通過無線網絡和外部計算機溝通。計算機會將指令發送給腰部電極，從而控制猴子下肢的運動。由于在猴子腦中裝上了“方向盤”，腦中植入的電極能讓它通過自己的“思想”控制腿部運動。此項研究實現了“腦和脊柱接口”技術的重大突破，使猴子不需要借助外部的“開關”，完全能夠通過自身的意識控制下肢的運動。

近年來快速發展的“腦機接口”技術先解碼大腦信號，然后通過計算機樞紐，讓大腦和外部設備相連，使癱瘓病人受益匪淺。荷蘭一名肌萎縮側索硬化癥（漸凍癥）患者失去說話能力，通過在大腦中植入電極，捕捉精準的電信號，并讓電極與計算機通信，不久前成功地實現了用“意念”打字，半年訓練之后打字的準確率達到了90%。

庫爾蒂納給這個項目命名為“重新行走計劃”，研究成果在《自然》雜志上發表后引起極大的反響。世界上每年有50萬人因脊髓損傷而癱瘓，他們的生命短短幾秒內便會突然變得黯淡無光。“我們的目標在于幫助癱瘓者更好地康復，提高他們的生活質量，而并不是科幻般地將癱瘓消滅。”他在接受記者采訪時解釋說，“這項研究中依賴的電信號目前作用很有限，僅僅只能起到讓腿部伸展和彎曲的作用，無法完成像改變運動方向或者越過障礙物等更精細的動作。如果運用到人類身上要求更高，還必須考慮如何適應直立行走時的身體平衡。”

扭轉癱瘓有希望

正常情況下，大腦發出的運動指令通過脊髓傳導至肌肉，通過控制肌群的收縮和舒張實現肢體的協調運動。由于外傷和疾病對脊髓的損害，使得這條傳導通路受損，運動指令不能傳導至肌肉，則導致病人的癱瘓。對于癱瘓的治療，可以運用生物學技術和電子和信息技術。前者能促進神經纖維再生，使得受損的脊髓通路重新建立。后者可建立人工的信息傳導通路，使用微型電極探測腦內的運動指令，并進行解碼。

人工信息傳導通路采用三種途徑建立：一是建立“神經旁路”，利用無線電將大腦讀取術直接連接到身體上的電刺激器，繞過受損的脊髓，把信號傳導至脊髓未受損的部分，從而利用原有的脊髓- 肌肉通路產生運動；二是用電極直接控制四肢肌群產生收縮，實現運動；三是將運動指令用于控制機械手臂和外骨骼等外部設備實現運動。

瑞士億萬富翁漢斯賈格·維斯專門為解決脊髓旁路等神經科技的技術設立了研究中心。該研究中心的領導人是約翰·多諾霍，他正帶領神經科學家、技術人員、臨床醫生共同創建一個商業上可行的系統。首要任務之一是研制一個名叫“神經通”的超緊湊型無線設備，以網絡速度從大腦收集數據。這是世界上最復雜的大腦通信器，雖然很復雜，并且進展緩慢，但是意義重大。

雖然“神經旁路”的發展進程緩慢，但在計算機技術的快速發展帶動下，實現了技術的一次次飛躍。有幾件標志性事件為千百萬癱瘓患者帶來了希望。

1961年：美國醫生和發明家威廉·豪斯測試了第一個人工耳蝸，透過電流刺激聽覺神經，證明可以協助失聰者重拾聽覺，使25萬人受益。

1998年：醫生在一個不能說話的癱瘓者的大腦中安裝了一個電極，使其通過計算機與人交流。

2008年：美國和日本的科學家聯手完成了一項遠距離實驗：在美國獲取的一只猴子的大腦發出的信號，通過互聯網傳輸，并成功地用這些信號激發機器人在跑步機上行走。這是世界上第一個腦波遙控機器人實驗，雖然僅限于動物實驗，但未來如果能用于人類，醫生可以幫助肢體嚴重癱瘓的病人恢復肢體活動能力。

2014～2015年：俄亥俄醫生開始努力使兩個不同癱瘓類型的男人“重獲新生”。他們的想法可以傳遞到他們手臂上的電極，從而實現手指的伸縮。

2016年：28歲的南森·科普蘭通過大腦植入物操控了一個機器臂，使得他可以“感覺”到手指，還在奧巴馬總統訪問實驗室時與他頂拳。

相比起非常成熟的人工耳蝸，讓“神經義肢”改善癱瘓會更有難度。由美國凱斯西儲大學羅伯特·基爾希教授和博盧·阿吉博耶教授領導的團隊，對一個四肢癱瘓者進行了一次實驗。他們在癱瘓者的手臂和手掌肌肉安裝了超過16個的精細電極，在大腦中放置了兩個比郵票還小的硅制記錄裝置，上面有上百根頭發大小的金屬探針，來探測神經元發出的命令。在操作過程中，志愿者在彈簧扶手的幫助下緩慢地抬起了他的手臂，并可以實現手掌的張和握，他甚至可以把有吸管的杯子遞到嘴邊。該項試驗是使用植入電子設備來恢復各種感官和功能的廣泛研究中的一部分。除了治療癱瘓外，科學家希望能夠使用所謂的“神經義肢”，通過在眼睛中放置芯片來恢復視力，或者是恢復阿爾茨海默病人的記憶。

庫爾蒂納領導的跨國研究團隊實驗證明，建立人工信息通路第一條途徑的“神經旁路”能夠使得癱瘓的猴子在短時間內實現行走，顯示了巨大的潛力。由于科學家通過腦植入來恢復脊椎損傷引起的運動受損研究方面取得了顯著的成果，扭轉癱瘓被《麻省理工科技評論》評為2017年10大全球突破性技術之一。未來需要開發生物兼容性更好的材料，使得更多的微型電極能夠植入體內，并長期穩定的工作。另外需要研究更有效的算法，對于大腦運動指令進行快速解碼，從而實現更精細的運動控制。相信神經科學、材料、信息等領域的發展將在不太遙遠的未來使得眾多的癱瘓病人重獲新生。

編輯：成韻 chengyunpipi@126.comendprint