導讀

脊髓損傷（SCI）后，癱瘓的肌肉可以使用腦機接口（BCI）單獨增強運動功能，重要的是，觸覺也是運動功能的關鍵組成部分。來自美國 Battelle研究所和俄亥俄州立大學韋克斯納醫(yī)學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使用BCI同時恢復運動功能和觸覺，該項成果被發(fā)表在2020年4月《Cell》期刊上。

一、背景

脊髓損傷會導致感覺運動回路受損，導致癱瘓、能動性喪失和感覺功能障礙，有趣的是，最近研究表明，嚴重的臨床完全性SCI并不能完全阻斷病變下方受神經支配的皮膚上行感覺信息的傳遞。這些研究表明，即使在SCI數年，患者感覺不到的觸覺刺激也會引起皮層活動的變化，由此為基礎，研究人員假設，腦機接口可以利用不完整的感知觸覺，增強感知下的觸摸事件，并同時恢復臨床上完全性SCI參與者的觸覺和運動功能。

二、實驗設計

實驗受試者是一位27歲男性，他于2010年遭遇事故損傷脊髓導致穩(wěn)定的、非痙攣性C5四肢癱瘓。首先，病變部位微弱神經活動是恢復知覺的關鍵，研究人員對脊髓損傷參與者進行了一系列手臂和手部皮膚刺激實驗，證明在脊髓損傷后，手臂和手部的皮膚刺激能夠引起對側初級運動皮層（M1）的強烈神經反應。然后，M1中的感覺和運動事件被證明可以被解碼，從而使感覺運動解復用BCI能夠控制和增強感覺運動功能；研究人員設計并研發(fā)了一種BCI，通過患者皮膚上的電極系統(tǒng)和植入大腦運動皮層區(qū)域的芯片，繞過脊髓損傷的部位，將運動信號直接從大腦傳送到肌肉。

三、結果

腦機接口成功恢復患者的抓握力，研究人員設置了3種不同強弱的傳入觸摸信號，對應3種不同大小的握力，最終，在87%的情況下，腦機接口成功將觸摸信號與握力正確匹配；通過BCI，患者成功控制手臂完成舉起咖啡杯、刷信用卡等20個動作，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 手部感覺功能評估和神經記錄方法

圖3 脊髓損傷后手臂和手部皮膚刺激引起引起對側初級運動皮層（M1）的強烈神經反應

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

圖5 M1中的感覺和運動事件可以被解碼以啟用感覺運動解復用BCI控制和感覺運動功能的增強

圖6 可以從M1解碼傳入的握力強度級別，以啟用通過觸摸調節(jié)的肢體恢復

參考文獻及來源：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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