協(xié)調(diào)行走的神經(jīng)元位于腰脊髓中。走路時(shí)，大腦通過從腦干級(jí)聯(lián)的下行通路傳播命令以激活這些神經(jīng)元。嚴(yán)重的脊髓損傷 (SCI) 會(huì)分散這個(gè)精心組織的通信系統(tǒng)。雖然位于腰脊髓的神經(jīng)元沒有受到損傷的直接損傷，但基本的脊髓上命令的耗竭使其失去功能。結(jié)果是永久性癱瘓。
試想一下，如果能讓腿部完全失去知覺的人重新有感覺地站起來(lái)，而且不再需要輔助工具，那將是一個(gè)創(chuàng)舉！
2018年，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院Grégoire Courtine等人在Nature上表明，將電脈沖傳遞到這些下脊柱神經(jīng)——一種稱為硬膜外電刺激 (Epidural Electrical Stimulation, EES) 的技術(shù)——與強(qiáng)化訓(xùn)練相結(jié)合，可以獲得這種脊髓損傷的人重新行走。試驗(yàn)中的所有三名參與者都從嚴(yán)重或完全的運(yùn)動(dòng)麻痹和腿部感覺最小的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槟軌蜃约盒凶撸蛘呓柚衅骰蚬照刃凶摺Ｄ悄辏硗鈨蓚€(gè)團(tuán)隊(duì)也表現(xiàn)出類似的結(jié)果。
EES系統(tǒng)
成果簡(jiǎn)介
近日，Grégoire Courtine團(tuán)隊(duì)對(duì)先前的工作進(jìn)行拓展，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了進(jìn)一步的改進(jìn)，研究表明該神經(jīng)康復(fù)期間應(yīng)用的腰椎時(shí)空硬膜外電刺激系統(tǒng)（EESREHAB）適用于腿部失去所有感覺的人。成果再次發(fā)表在Nature上。
視頻|修復(fù)脊柱損傷患者
恢復(fù)行走能力！
同一試驗(yàn)中的九名參與者（其中三人完全癱瘓，腿部沒有感覺）在與植入脊椎的設(shè)備提供的EES配對(duì)訓(xùn)練后，恢復(fù)了行走能力。試驗(yàn)開始五個(gè)月后，所有參與者都可以承受自己的體重并采取行動(dòng)，使用助行器保持穩(wěn)定。值得注意的是，四人不再需要開啟 EES 才能行走。這種持續(xù)的恢復(fù)表明，刺激會(huì)觸發(fā)脊髓神經(jīng)元的重塑，使運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)正常。
圖|EESREHAB重塑人類和小鼠的脊髓
發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵神經(jīng)元
該團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)了負(fù)責(zé)促進(jìn)康復(fù)的神經(jīng)元。與直覺相反，當(dāng)人們開啟 EES 時(shí)，刺激部位的神經(jīng)細(xì)胞活動(dòng)減少。該團(tuán)隊(duì)利用這一線索更徹底地調(diào)查了這一過程。首先，研究人員在小鼠身上模擬了治療的各個(gè)方面——從損傷和電刺激到使用專用機(jī)器人支持進(jìn)行訓(xùn)練以保持穩(wěn)定性。這一結(jié)果與人類的結(jié)果相似。
接下來(lái)，研究人員測(cè)量了小鼠脊髓組織樣本中數(shù)千個(gè)單個(gè)神經(jīng)元的基因活動(dòng)。這產(chǎn)生了一個(gè)非常詳細(xì)的脊髓下部神經(jīng)細(xì)胞類型圖。然后，他們使用機(jī)器學(xué)習(xí)算法搜索小鼠神經(jīng)元，這些神經(jīng)元在 EES 輔助康復(fù)的設(shè)定階段顯示出基因活動(dòng)的變化，這些變化與人類參與者步行能力中觀察到的變化平行。
圖|EESREHAB的分子繪圖
該算法確定了一個(gè)似乎合適的興奮性中間神經(jīng)元亞群（SCVsx2::Hoxa10）——連接運(yùn)動(dòng)和感覺神經(jīng)元的神經(jīng)細(xì)胞。當(dāng)該團(tuán)隊(duì)使受傷小鼠體內(nèi)的這些細(xì)胞沉默時(shí)，他們發(fā)現(xiàn) EES 不再可以使受傷的動(dòng)物能夠行走。此外，康復(fù)期間該部位神經(jīng)活動(dòng)的總體減少反映了一個(gè)學(xué)習(xí)過程。比如，在大腦中，當(dāng)你學(xué)習(xí)一項(xiàng)任務(wù)時(shí)，隨著你越來(lái)越擅長(zhǎng)它，激活的神經(jīng)元越來(lái)越少。
圖|SCVsx2::Hoxa10神經(jīng)元是癱瘓后步行恢復(fù)所必需的
小結(jié)：
綜上所述，該研究展示了EESREHAB恢復(fù)了行走并改善了 9 名長(zhǎng)期SCI 患者的神經(jīng)狀態(tài)。這種恢復(fù)證明了 EESREHAB 對(duì)大量在 SCI 后表現(xiàn)出跨越整個(gè)嚴(yán)重程度的神經(jīng)功能缺損的人的治療效果，從而為這種療法的臨床部署開辟了道路。
盡管看到脊髓損傷的人再次行走是一件非常壯觀的事情，但是呢，步行通常不是人們的首要任務(wù)。相對(duì)而言，膀胱控制、腸道控制和性功能的喪失會(huì)對(duì)生活質(zhì)量產(chǎn)生更大的影響。如果可以通過這項(xiàng)技術(shù)對(duì)這些功能進(jìn)行改進(jìn)，這將是非常有趣的。
參考文獻(xiàn)：
1. Kathe, C., Skinnider, M.A., Hutson, T.H. et al. The neurons that restore walking after paralysis. Nature (2022).
https://doi.org/10.1038/s41586-022-05385-7
2. https://doi.org/10.1038/d41586-022-03605-8
個(gè)人簡(jiǎn)介
Grégoire Courtine，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院 (EPFL) 教授，擔(dān)任國(guó)際截癱基金會(huì) (IRP) 神經(jīng)假體中心和腦心智研究所脊髓修復(fù)領(lǐng)域的主席。他的課題組致力于設(shè)計(jì)創(chuàng)新的干預(yù)措施，以恢復(fù) CNS 疾病（尤其是脊髓損傷）后的感覺運(yùn)動(dòng)功能，并將研究結(jié)果轉(zhuǎn)化為能夠改善神經(jīng)運(yùn)動(dòng)障礙患者生活質(zhì)量的有效臨床應(yīng)用。他提出了脊髓損傷后恢復(fù)功能的全新方法，并在全球范圍內(nèi)引起廣泛討論。
該課題組在Nature、Nature Medicine、Nature Nanotechnology、Nature Biotechnology等期刊發(fā)表多篇研究論文。Courtine教授還獲得了許多榮譽(yù)和獎(jiǎng)項(xiàng)，如2007年加州大學(xué)洛杉磯分校校長(zhǎng)博士后研究?jī)?yōu)秀獎(jiǎng)和2009年國(guó)際截癱研究基金會(huì)頒發(fā)的謝倫伯格脊髓損傷創(chuàng)新研究獎(jiǎng)。
