伸手、拾球、握球、扔球……兩隻手部癱瘓的猴子竟然完成了這樣一組接近常規的複雜動作，這項成果為人類脊髓損傷患者運動功能的恢復帶來了希望。貴州醫科大學附屬醫院骨外科李青
這是來自美國西北大學範伯格醫學院的一項最新研究成果，生理學教授米勒（Lee E. Miller）博士帶領的研究小組，藉助大腦與肌肉的一個人造連線成功地使癱瘓猴子恢復了較為複雜的手部運動能力。這篇論文釋出在2012年4月18日的《自然》雜誌上。
據不完全統計，全世界每年超過13萬人遭遇脊髓損傷後存活下來，但他們將一直忍受著重度癱瘓之痛。這些癱瘓患者中一半人的第六頸椎以上遭到損傷，直接影響到四肢運動。對於他們中的大多數人來說，重新獲得抓取物體的能力是最現實的恩惠。
正是基於這個原因，米勒博士研究小組致力於通過結合兩種技術生成一個神經假體裝置，用該裝置取代喪失或損傷的神經系統功能，來重新恢復癱瘓患者手部的運動能力。
這兩種技術對於腦損傷和脊髓損傷康復領域的醫患人員來說，都不陌生。但在此之前，兩者更像是兩條平行軌道上的列車，為了同樣的目標在各自的路徑上前後奔跑，在偶然的一個彎道，兩種技術併入同一軌道，產生了一個令人意想不到的結果――意念取物。
功能性電刺激
第一項技術就是功能性電刺激（Functional Electrical Stimulation，FES）。一位癱瘓患者開始時步速慢於0.2m/s，只能拖著一條腿走路，也就是常說的足下垂，使用一條通道的功能性電刺激技術，刺激背刺屈肌即可糾正足下垂，刺激踝關節可使足部抬起。一段時間以後，他可以把步速提高到0.7m/s，而且很快就不需要拐杖了。這不是發生在童話裡的魔法故事，而是早在上世紀60年代就已被證實有效的FES技術。FES旨在通過使用電刺激的手段，以精確的刺激順序和刺激強度啟用癱瘓或輕癱的肌肉，使脊髓損傷患者恢復一定運動能力。它的技術原理是通過低頻脈衝電流刺激神經或肌肉，引起肌肉收縮，繼而實現被刺激肌肉或肌群功能的改善或恢復。
FES最早用於康復醫學領域。1961年美國利伯森（Liberson）等人通過刺激腓總神經，成功治療了足下垂的7名偏癱患者。隨後的40年中，FES技術在截癱患者行走能力恢復方面逐步發力，如今已經被證實是一種對癱瘓者下肢能力恢復比較有效的臨床工具。
目前在全世界，約有超過24個研究中心都在積極評估FES在恢復站立和行走能力方面的作用，以及開發FES助行系統。
但迄今為止，通過FDA認證的用於短距離步行的FES系統只有Parastep助行系統，該系統由伊利諾斯大學與芝加哥的一個醫學中心共同研製，由多通道刺激器、12片表面電極和輔助器械組成，用於訓練殘疾度介於T4級和T12級之間的截癱病人的站立和行走。
雖然FES很早就用於臨床並取得了顯著療效，但是其刺激訊號的控制問題制約了FES的進一步發展。因為如果找不到合適的刺激訊號，FES就不能達到很好的治療效果，而且其對殘肢的運動控制只能根據預設的模式進行，不能實時地根據患者意願來隨意進行肢體的運動控制。
更重要的一個現實問題是，在對脊髓損傷患者下肢運動功能恢復取得確實進步的同時，FES似乎對癱瘓者上肢的功能恢復沒有找到合適的辦法，直到腦機介面技術的出現。
腦機介面技術
2012年4月29日，香港特區政府新聞網釋出訊息稱，香港中文大學日前成功研製出一箇中文腦機介面系統，可將腦電波轉換成繁體中文字。據報道稱，全身癱瘓無法說話的病人只要戴上有16個接觸面的無線腦電波接收器，面向計算機螢幕上的中文筆畫輸入介面，想著自己要寫的筆畫，接收器便能接收到指令，將中文寫出來。研究團隊表示，這個系統無疑比直接說話、手語或手寫表達慢數十倍，然而對於嚴重癱瘓的病人來說，這個系統突破障礙，令他們可以表達自己，即使只是簡單片語，已是難能可貴的突破。
腦機介面技術（Brain-computer Interface，BCI）就是美國西北大學生理學教授米勒研究中使用到的第二項技術。
這項形成於上世紀70年代的雜交技術，涉及神經學、心理認知科學、康復工程、生物醫學工程和電腦科學等多學科，在過去的十多年間得到迅猛的研究發展，使得人類利用腦訊號同計算機或其他裝置進行通訊成為可能。
BCI技術的獨特之處在於，不依賴於大腦的正常輸出通路（即外圍神經核肌肉組織），就可以實現人腦與外界，如計算機或其它外部裝置的直接通訊。
BCI技術的本質是提取和翻譯神經細胞的活動。它一方面能夠讓大腦發出指令，控制計算機或者智慧假肢，另一方面，它也能讓我們直接解讀神經活動的部分資訊，通過影象、聲音的形式反饋給使用者。
研究者發現，要想實現BCI，有三個必要的條件：第一，必須有一種能夠可靠反映大腦思維的訊號；第二，這種訊號能夠被實時且快速地收集；第三，這種訊號有明確的分類。目前，大多數BCI研究機構採用的大腦訊號是腦電圖（Electroencephalographic，EEG）。
BCI技術的一個重要應用就是用於身體殘缺者和癱瘓病人的運動控制恢復，使得通過意念實現人機互動。
對於那些神經阻斷但肢體尚在或肌肉損傷癱瘓類殘疾人，通過使用BCI直接控制其肌體肌肉或進行神經再恢復治療，可以使其運動能力得到重建，進而實現肢體完成日常生活基本動作的目的。
神經假體裝置
BCI為FES提供了一個非常好的操作介面，美國西北大學生理學教授米勒嘗試著讓兩項技術聯手，一個功能強大的神經假體裝置由此誕生。這個裝置由兩部分構成，第一個是可直接植入大腦的多電極晶片，作為BCI，利用該晶片研究人員可以檢測大腦100個腦細胞的活性，解碼生成肌肉和手部運動的訊號；第二個是一個EFS裝置，可將電流傳送至癱瘓肌肉，引起肌肉收縮。研究人員給兩隻猴子區域性麻醉，阻斷了手肘部的神經活動，引起暫時性手部癱瘓，在神經假體裝置的幫助下，大腦晶片直接觸發FES裝置，繞過脊髓，實現了有意圖的、大腦控制的肌肉收縮，恢復了癱瘓手部的運動，癱瘓的猴子可以接近常規的方式拾起和移動小球。實際上，早在2008年，基於BCI與FES技術結合、相似的神經假體裝置就已經出現。
美國華盛頓大學菲茲（Eberhard Fetz）博士領導的一個研究小組將神經元活動與一個FES裝置連線起來。猴子們學會了啟用單個神經元來調控FES裝置，移動操縱桿，使得從前與腕部無關的神經元適應完成任務。
同年，美國匹茲堡大學的實驗人員將一個微電極陣列植入猴腦的運動區，採集多個神經細胞的放電訊號，經過計算機的實時處理，轉換成電動假肢的控制命令。經過一段時間的訓練，猴子學會了用自己的大腦神經訊號直接控制假肢的運動，抓取食物喂到自己的嘴裡。這項在當時令癱瘓康復領域振奮的研究成果登上了當年的《自然》雜誌。
清華大學生物醫學工程系、神經工程研究所專家洪波對此研究曾撰文分析，匹茲堡大學的這項研究是過去十多年來這一領域研究成果的一次整合。雖然從基本原理上並沒有顯著創新，但它首次實現了大腦直接控制假肢與身體其他部分配合，完成一個生物意義上的功能性動作――抓取食物，這比以往的研究又前進了一大步。而美國西北大學生理學教授米勒的最新研究超越了此前的研究成果。米勒教授在論文中寫道，“利用這些神經工程學方法，我們可以瞭解大腦的一些重要生理學基礎，並利用它直接將大腦與肌肉連線起來。這一從大腦到肌肉的連線或許有一天可用於幫助因脊髓損傷導致的癱瘓患者完成日常活動，獲取更大的獨立性。”米勒的研究成果進一步推動了先進神經假體裝置的測試和開發。
美國國立衛生研究所神經疾病和中風研究所專案主管陳道芬（Daofen Chen）博士表示，該領域的研究人員正在朝著超越簡單手臂運動，實現精細手部和手指運動的裝置努力，米勒的研究突破了神經假體裝置在抓握物體時所需的複雜手部和手指運動。但米勒教授也審慎地指出，當前研究中採用的暫時神經阻斷無法重複長期大腦和脊髓癱瘓損傷後出現的慢性變化，因此在長期癱瘓的靈長類動物模型中檢測這一系統顯得格外重要。不管怎樣，米勒已經為脊髓損傷的癱瘓病人推開了一扇窗，只要大腦中神經細胞還能放電，意念取物、恢復運動能力就不再只是夢想。
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