導(dǎo)讀

脊髓損傷（SCI）后，癱瘓的肌肉可以使用腦機(jī)接口（BCI）單獨(dú)增強(qiáng)運(yùn)動(dòng)功能，重要的是，觸覺也是運(yùn)動(dòng)功能的關(guān)鍵組成部分。來自美國(guó) Battelle研究所和俄亥俄州立大學(xué)韋克斯納醫(yī)學(xué)中心的研究人員證明了臨床完全性SCI患者可以利用手上殘余的觸覺信號(hào)使用BCI同時(shí)恢復(fù)運(yùn)動(dòng)功能和觸覺，該項(xiàng)成果被發(fā)表在2020年4月《Cell》期刊上。

一、背景

脊髓損傷會(huì)導(dǎo)致感覺運(yùn)動(dòng)回路受損，導(dǎo)致癱瘓、能動(dòng)性喪失和感覺功能障礙，有趣的是，最近研究表明，嚴(yán)重的臨床完全性SCI并不能完全阻斷病變下方受神經(jīng)支配的皮膚上行感覺信息的傳遞。這些研究表明，即使在SCI數(shù)年，患者感覺不到的觸覺刺激也會(huì)引起皮層活動(dòng)的變化，由此為基礎(chǔ)，研究人員假設(shè)，腦機(jī)接口可以利用不完整的感知觸覺，增強(qiáng)感知下的觸摸事件，并同時(shí)恢復(fù)臨床上完全性SCI參與者的觸覺和運(yùn)動(dòng)功能。

二、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)受試者是一位27歲男性，他于2010年遭遇事故損傷脊髓導(dǎo)致穩(wěn)定的、非痙攣性C5四肢癱瘓。首先，病變部位微弱神經(jīng)活動(dòng)是恢復(fù)知覺的關(guān)鍵，研究人員對(duì)脊髓損傷參與者進(jìn)行了一系列手臂和手部皮膚刺激實(shí)驗(yàn)，證明在脊髓損傷后，手臂和手部的皮膚刺激能夠引起對(duì)側(cè)初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層（M1）的強(qiáng)烈神經(jīng)反應(yīng)。然后，M1中的感覺和運(yùn)動(dòng)事件被證明可以被解碼，從而使感覺運(yùn)動(dòng)解復(fù)用BCI能夠控制和增強(qiáng)感覺運(yùn)動(dòng)功能；研究人員設(shè)計(jì)并研發(fā)了一種BCI，通過患者皮膚上的電極系統(tǒng)和植入大腦運(yùn)動(dòng)皮層區(qū)域的芯片，繞過脊髓損傷的部位，將運(yùn)動(dòng)信號(hào)直接從大腦傳送到肌肉。

三、結(jié)果

腦機(jī)接口成功恢復(fù)患者的抓握力，研究人員設(shè)置了3種不同強(qiáng)弱的傳入觸摸信號(hào)，對(duì)應(yīng)3種不同大小的握力，最終，在87%的情況下，腦機(jī)接口成功將觸摸信號(hào)與握力正確匹配；通過BCI，患者成功控制手臂完成舉起咖啡杯、刷信用卡等20個(gè)動(dòng)作，還能夠參與需要用到手和胳膊的視頻游戲。

圖1 圖形概要

圖2 手部感覺功能評(píng)估和神經(jīng)記錄方法

圖3 脊髓損傷后手臂和手部皮膚刺激引起引起對(duì)側(cè)初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層（M1）的強(qiáng)烈神經(jīng)反應(yīng)

圖4 主動(dòng)物體觸摸可從M1解碼以控制閉環(huán)感覺反饋并增強(qiáng)手部感覺功能

圖5 M1中的感覺和運(yùn)動(dòng)事件可以被解碼以啟用感覺運(yùn)動(dòng)解復(fù)用BCI控制和感覺運(yùn)動(dòng)功能的增強(qiáng)

圖6 可以從M1解碼傳入的握力強(qiáng)度級(jí)別，以啟用通過觸摸調(diào)節(jié)的肢體恢復(fù)

參考文獻(xiàn)及來源：Ganzer, Patrick D et al. “Restoring the Sense of Touch Using a Sensorimotor Demultiplexing Neural Interface.” cell vol. 181,4 (2020): 763-773.e12.

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