想象一下，一只脊髓被切斷的小鼠，它突然重新站立起來(lái)，向著面前的瑞士巧克力沖刺。醫(yī)學(xué)奇跡的降臨會(huì)是因?yàn)樾∈笠裁詰偃鹗壳煽肆?？不。這是因?yàn)榭茖W(xué)家用電激發(fā)了小鼠神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的活力。小鼠在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)數(shù)月的訓(xùn)練和理療后，最終得以奔向美味的食物。

2013年，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的神經(jīng)科學(xué)家格雷古瓦·庫(kù)爾廷（Gregoire Courtine）曾在TED大會(huì)上介紹過(guò)如何讓小鼠恢復(fù)下肢運(yùn)動(dòng)能力的過(guò)程。最近，他和同事們更進(jìn)一步，使用硬膜外電刺激（epidural electrical stimulation，簡(jiǎn)稱EES）療法，幫助脊髓受損的癱瘓人士恢復(fù)行走能力，已經(jīng)有3名參與試驗(yàn)的患者恢復(fù)了行走和站立運(yùn)動(dòng)能力。人們不禁好奇，電刺激療法是基于何種生物學(xué)原理，未來(lái)它是脊柱損傷患者的福音嗎？

上周，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院神經(jīng)恢復(fù)研究中心公布了一項(xiàng)新研究，為脊髓受損的患者帶來(lái)了希望。

研究者發(fā)現(xiàn)，控制腿部運(yùn)動(dòng)區(qū)域，再使用EES療法刺激脊髓，患者就能夠恢復(fù)下肢運(yùn)動(dòng)能力，萎縮退化的肌肉群也有望得到恢復(fù)，同時(shí)也減少了站立后的暈厥次數(shù)。

這簡(jiǎn)直是脊髓損傷者的福音，帶來(lái)這一奇跡的正是上文提及的庫(kù)爾廷。

一、被喚醒的一小步

談到庫(kù)爾廷的研究，我們還得從已故美國(guó)演員克里斯托弗·里夫（Christopher Reeve）說(shuō)起。

里夫曾經(jīng)參演過(guò)四部超人系列電影，熒幕上他演繹的“鋼鐵硬漢”深入人心。在人們心里，他就是無(wú)所不能的“超人”，但一次墜馬讓他失去了重回?zé)赡坏臋C(jī)會(huì)。

受傷之后，里夫成了脊髓受損人士的代言人，和妻子攜手成立基金會(huì)，幫助更多脊髓受損的患者。

克里斯托弗·里夫（Christopher Reeve），圖源維基百科

庫(kù)爾廷曾經(jīng)在里夫基金會(huì)工作過(guò)，而里夫以曾經(jīng)對(duì)他的建議深深烙刻在他的腦海里：

“明天，當(dāng)你們離開實(shí)驗(yàn)室的時(shí)候，我希望你們能去康復(fù)中心，看看那些脊髓受損的患者，如何費(fèi)勁全力邁出一小步、如何保持自己的平衡。在你到家之后，仔細(xì)想想是否需要改變自己的研究方向、能不能讓他們的生活更加美好。”

“超人”的演員雖然已經(jīng)逝去，但“超人”的精神被庫(kù)爾廷和他的實(shí)驗(yàn)室貫徹并堅(jiān)持。十年來(lái)，他們一直堅(jiān)持實(shí)用主義，想要把研究成果運(yùn)用在真正有需要的患者身上，也非常重視患者的體驗(yàn)。

通常來(lái)說(shuō)，脊髓受損的患者會(huì)被要求進(jìn)行輪椅訓(xùn)練，或者使用下肢矯形器訓(xùn)練站立、步行。

圖片來(lái)自spirit.bfh.ch

但借助外物的生活終究和原本的體驗(yàn)差異甚大，雖然生理上會(huì)逐漸適應(yīng)這一過(guò)程，但心理上很難接受今后的生活都要依仗這些器材。

而庫(kù)爾廷的EES療法有所不同：使用植入電極，將電脈沖傳遞給脊髓下神經(jīng)，激發(fā)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的活力。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的專業(yè)康復(fù)訓(xùn)練，3名參與試驗(yàn)的人都能夠自己重新站立、走路，或者能夠借助拐杖前進(jìn)。

EES療法讓脊髓受損的患者有望丟掉拐杖、拋開輪椅，重新恢復(fù)腳踩大地的實(shí)感，對(duì)于患者來(lái)說(shuō)非常具有吸引力。

那么，這種療法是基于怎樣的生物學(xué)原理？

二、假如運(yùn)動(dòng)神經(jīng)系統(tǒng)是輛車

要理解庫(kù)爾廷的EES療法，我們還得回答他在2013年TED大會(huì)上提出的問(wèn)題。

“假設(shè)運(yùn)動(dòng)神經(jīng)系統(tǒng)是輛車，引擎就是脊髓?，F(xiàn)在變速箱壞了，引擎熄火了，我們要怎么辦？”

這聽(tīng)起來(lái)很像“如何把大象塞進(jìn)冰箱”的問(wèn)題——看似不可能做到，但實(shí)際答案非常簡(jiǎn)單、卻直指核心。

圖片來(lái)自：TED

“首先，加好油，再踩油門，最后握緊方向盤?！?/p>

庫(kù)爾廷接著為自己的比喻解釋。他說(shuō)，EES療法的作用就是發(fā)射無(wú)痛的電擊，模擬大腦向脊髓發(fā)送神經(jīng)信號(hào)，讓運(yùn)動(dòng)神經(jīng)系統(tǒng)準(zhǔn)備好。

圖源actu.epfl.ch

怎樣讓電擊模擬原本的運(yùn)動(dòng)規(guī)律對(duì)神經(jīng)元進(jìn)行刺激呢？為了尋求這個(gè)問(wèn)題的答案，庫(kù)爾廷的研究小組首先研究建立了一個(gè)小鼠模型，同時(shí)也為小鼠脊髓的不同神經(jīng)元構(gòu)建了一個(gè)基因表達(dá)單細(xì)胞圖譜。

脊髓神經(jīng)元圖譜，圖源actu.epfl.ch

通過(guò)將上述模型與分子圖譜相結(jié)合，他們鑒定出了一類特定的興奮性神經(jīng)元，這類神經(jīng)元對(duì)于脊髓損傷后恢復(fù)行走能力十分重要。這也是使用EES療法的生物學(xué)基礎(chǔ)與核心。

第二步則是在患者身上植入電極，進(jìn)行調(diào)試。

在患者重新嘗試站立的過(guò)程中，還有一個(gè)非常危險(xiǎn)的“攔路虎”，那就是直立性低血壓。直立姿勢(shì)會(huì)引起暈厥發(fā)作，使患者無(wú)法短時(shí)間站立和行走。

科學(xué)家植入的電極此時(shí)充當(dāng)了恢復(fù)血壓調(diào)節(jié)的系統(tǒng)，通過(guò)能夠檢測(cè)體位變化的加速度計(jì)，對(duì)胸脊髓進(jìn)行硬膜外電刺激。

圖中B為患者在植入電極前后的暈厥次數(shù)，圖中C為患者植入電極前后的步行距離 圖源nejm.org

可以看到，植入電極以后，患者的身體狀況有所好轉(zhuǎn)，行走能力從零到百米。在保證患者恢復(fù)運(yùn)動(dòng)能力的同時(shí)，也解決了相應(yīng)的健康隱患。

三、EES的臨床應(yīng)用還有多遠(yuǎn)？

庫(kù)爾廷團(tuán)隊(duì)研發(fā)的EES療法仍需要更多的研究和臨床測(cè)試，那么這門技術(shù)距離臨床應(yīng)用還有多少步？

首先是植入電極對(duì)患者身體健康的影響。EES技術(shù)需要將電極植入患者皮膚，然而植入的手術(shù)可能會(huì)增加感染風(fēng)險(xiǎn)。植入電極的另一個(gè)重要缺點(diǎn)是，一旦電極被植入后，它們的位置不能輕易改變，這可能會(huì)影響電極的使用壽命、導(dǎo)致重復(fù)的植入手術(shù)增加患者不必要的痛苦。

另一個(gè)問(wèn)題是使用植入電極的費(fèi)用和代價(jià)。刺激電極的位置需要根據(jù)患者個(gè)體的神經(jīng)元位置進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間調(diào)試，“定制”式的調(diào)整會(huì)大大影響它在患者群體中的普及性。

會(huì)影響電極植入的身體狀況圖源ncbi.nlm.nih.gov

EES技術(shù)對(duì)于患者的身體狀態(tài)也有較多要求。例如不能下肢有壓瘡等壓力性損傷，這會(huì)影響植入電極。然而經(jīng)常躺臥、久坐的脊髓受損人士很難沒(méi)有壓瘡，需要非常細(xì)心的護(hù)理才能擺脫這一問(wèn)題。

對(duì)此，昆士蘭大學(xué)（The University of Queensland）生物醫(yī)學(xué)學(xué)院副教授、神經(jīng)學(xué)家馬克·魯騰貝格（Marc Ruitenberg）表示，重新恢復(fù)站立行走通常不是脊髓受損的癱瘓者首先考慮的問(wèn)題，膀胱控制、腸道控制和性功能的喪失會(huì)對(duì)癱瘓者的生活質(zhì)量產(chǎn)生更大的影響。

“看看這些功能是否也可以通過(guò)這項(xiàng)技術(shù)得到改進(jìn)，如果能做到，這項(xiàng)診療技術(shù)會(huì)非常吸引患者的興趣。”魯騰貝格補(bǔ)充道。

庫(kù)爾廷的研究成果若是能真正廣泛應(yīng)用于脊髓受損人士的康復(fù)工作，讓脊髓受損的患者扔掉拐杖，想必已逝的克里斯托弗·里夫會(huì)非常欣慰。

盡管目前還有很多需要解決的問(wèn)題，但該領(lǐng)域的諸多難題正逐步得到克服。

參考資料

1.Electrical stimulation helps paralysed people walk again — and now we know why（Nature）

2.Functional electrical stimulation therapy for restoration of motor function after spinal cord injury and stroke： a review（National Library of Medicine）

3.Scientists identify neurons that restore walking after paralysis（EPFL News）

4.Implanted System for Orthostatic Hypotension in Multiple-System Atrophy（NEJM）

本文來(lái)自微信公眾號(hào)：深究科學(xué)（ID：deepscience），作者：錢凝露