科學(xué)家?guī)椭c瘓猴子恢復(fù)手部運(yùn)動(dòng)能力
2012-04-29 22:30:12 本站原創(chuàng)近日來(lái)自美國(guó)西北大學(xué)的研究人員借助大腦與肌肉的一個(gè)人造連接成功地使癱瘓猴子恢復(fù)了復(fù)雜的手部運(yùn)動(dòng)能力。相關(guān)研究論文發(fā)布在4月18日的《自然》（Nature）雜志上。
在這篇文章中，研究人員描述了他們?nèi)绾谓Y(jié)合兩種技術(shù)生成了一個(gè)神經(jīng)假體裝置，該設(shè)備取代了喪失或損傷的神經(jīng)系統(tǒng)功能。第一個(gè)是可直接植入大腦的多電極芯片，作為腦機(jī)接口（BCI）。利用該芯片研究人員可以檢測(cè)大腦100個(gè)腦細(xì)胞的活性，解碼生成肌肉和手部運(yùn)動(dòng)的信號(hào)。第二個(gè)是一個(gè)功能性電刺激（FES）設(shè)備，可將電流傳送至癱瘓肌肉，引起肌肉收縮。大腦芯片直接觸發(fā)FES設(shè)備，繞過(guò)脊髓，實(shí)現(xiàn)了有意圖的、大腦控制的肌肉收縮，恢復(fù)了運(yùn)動(dòng)。
領(lǐng)導(dǎo)這一研究的是西北大學(xué)范伯格醫(yī)學(xué)院生理學(xué)教授Lee E. Miller博士。在測(cè)試神經(jīng)假體裝置前，Miller研究小組記錄了兩種健康猴子在完成伸手、握球和扔球等任務(wù)時(shí)的大腦及肌肉活動(dòng)。隨后研究人員利用來(lái)自大腦控制FES設(shè)備的數(shù)據(jù)確定了通過(guò)大腦活動(dòng)預(yù)測(cè)肌肉活動(dòng)的模式。
為了檢測(cè)這一設(shè)備，研究人員給予猴子麻醉劑局部阻斷了手肘部的神經(jīng)活動(dòng)，引起了暫時(shí)性的手部癱瘓。在神經(jīng)假體裝置的幫助下，兩只猴子均恢復(fù)了癱瘓手部的運(yùn)動(dòng)，可以接近常規(guī)的方式拾起和移動(dòng)小球，并完成與之前相同的任務(wù)。
Mille研究小組還對(duì)猴子進(jìn)行了握力檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)他們的系統(tǒng)修復(fù)了猴子的精確抓握能力。并允許對(duì)力量和握力進(jìn)行隨意和有意的調(diào)整，這對(duì)于自然和成功地執(zhí)行每天的任務(wù)至關(guān)重要。
新研究超越了此前Miller研究小組的成果，他們證實(shí)一種相似的神經(jīng)假體裝置可恢復(fù)癱瘓猴子屈伸腕部的能力。“利用這些神經(jīng)工程學(xué)方法，我們可以了解大腦的一些重要生理學(xué)基礎(chǔ)，并利用它直接將大腦與肌肉連接起來(lái)。這一從大腦到肌肉的連接或有一天可用于幫助因脊髓損傷導(dǎo)致的癱瘓患者完成日常活動(dòng)，獲取更大的獨(dú)立性。”
2008年，華盛頓大學(xué)的Eberhard Fetz博士領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)研究小組將神經(jīng)元活動(dòng)與一個(gè)FES設(shè)備連接起來(lái)。猴子們學(xué)會(huì)了激活單個(gè)神經(jīng)元來(lái)調(diào)控FES設(shè)備，移動(dòng)操縱桿，使得從前與腕部運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)的神經(jīng)元適應(yīng)完成任務(wù)。這些研究人員認(rèn)為這種學(xué)習(xí)和適應(yīng)的過(guò)程對(duì)BCI轉(zhuǎn)換大腦活動(dòng)模式自適應(yīng)控制FES設(shè)備起重要的作用。
在本研究中這種聯(lián)合動(dòng)物的獨(dú)特球握放任務(wù)設(shè)計(jì)進(jìn)一步推動(dòng)了先進(jìn)神經(jīng)假體裝置的測(cè)試和開(kāi)發(fā)。美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究所神經(jīng)疾病和中風(fēng)研究所項(xiàng)目主管Daofen Chen博士描述了該領(lǐng)域的研究人員正如何朝著超越簡(jiǎn)單手臂運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)精細(xì)手部和手指運(yùn)動(dòng)的設(shè)備所做出的努力。“我們?cè)谥攸c(diǎn)研究手臂和腕部運(yùn)動(dòng)的神經(jīng)調(diào)控的非人類靈長(zhǎng)類動(dòng)物研究中收獲良多。Miller博士的研究基于這些成果，側(cè)重研究了抓握物體時(shí)所需的復(fù)雜手部和手指運(yùn)動(dòng)，”Daofen Chen說(shuō)。
FES設(shè)備當(dāng)前被用于治療中風(fēng)或脊髓損傷患者的足下垂，當(dāng)行走時(shí)會(huì)導(dǎo)致絆倒和跌倒。FES設(shè)備可以被鞋傳感器激發(fā)，協(xié)調(diào)行走運(yùn)動(dòng)，刺激肌肉，在每一步的適當(dāng)時(shí)間抬腳。
目前在臨床上 其他的一些FES設(shè)備利用的是患者殘余的肌肉活動(dòng)。例如一個(gè)假肢可利用裝入肩膀的傳感器，感知聳肩運(yùn)動(dòng)，再利用它刺激肌肉打開(kāi)或合攏手部。然而這種控制方法不太精確，也不自然。不適合有高位脊髓損傷和少或無(wú)肩部及手臂運(yùn)動(dòng)的患者。對(duì)于這些患者，構(gòu)建出大腦控制的FES設(shè)備將大腦運(yùn)動(dòng)直接連接到肌肉刺激上將提供恢復(fù)手部功能機(jī)會(huì)。
Miller博士審慎指出當(dāng)前研究中采用的暫時(shí)神經(jīng)阻斷是一種有用的癱瘓模型但它無(wú)法重復(fù)長(zhǎng)期大腦和脊髓損傷后發(fā)現(xiàn)的慢性變化。他認(rèn)為下一步應(yīng)在長(zhǎng)期癱瘓的靈長(zhǎng)類動(dòng)物模型中檢測(cè)這一系統(tǒng)，研究持續(xù)使用這一神經(jīng)假體裝置的大腦改變。
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