重新连接神经
生物医学：医生们正在对病人的神经系统进行重排以使其能够更自然的控制假肢，让瘫痪的四肢重焕活力。
Sep 2nd 2010
灵活自然地控制假肢
我们都知道“幻肢综合征”或者“幻肢痛”（见注释1）。虽说是“幻”，但是这种奇怪的综合征对患者来说感觉是如此的真实——疼痛令他们烦恼。即使它不再和神经系统相联系了，截肢病人和瘫痪病人仍可以“感觉”到已经不在的四肢或者身体的某部分。然而这样的感觉肯定了一件事：即使当四肢被截断或者其与神经系统失去了联系，曾经可以感受截肢存在的神经仍旧是正常工作的。医生们正在想办法好好利用这些神经，把它们重新连接，控制假肢或者使瘫痪的四肢重焕活力。
另外，重连神经系统可以让截肢患者感到一种假肢的“真实感“。也就是，利用未截肢前控制真正四肢的相同神经通路和大脑的那些部位来控制和感受假肢，假肢感觉起来和使用起来就像是病人身体真正的一部分一样。并且依靠刺激瘫痪病人腿或胳膊里的神经——这些神经与中央神经系统相分离——很可能产生非常精细的协调动作。比如，瘫痪病人的手受刺激后就能够抓住并转动门把手。还有，精细的控制和协调病人腿中的肌肉系统，病人甚至可以从轮椅上站起来走上几步。
俄亥俄洲退役军人医疗中心刘易斯.斯托克-克里夫兰分部(Louis Stokes Cleveland Department of Veteran Affairs Medical Center, in Ohio)的生物医学工程师Paul Marasco说，假肢变得越来越精密复杂，但是很难以一种自然的方式控制他们。比如说，病人靠收缩他们残肢，肩部或者胸部的肌肉来控制一些机动设备。皮肤上的肌电图扫描感受器检测这些肌肉运动，然后信号通过假肢转换成运动。
这种方法可以对假臂进行难以置信的有力控制，但是病人通常更喜欢使用更简单的机械式假肢。原因之一就是，这些设备可以让病人通过一个用来控制这些设备的电缆系统感受假臂的运动——通常是把电缆固定到另一个肩上。所以甚至当病人闭着眼睛他们也能感觉到假肢是否还在，或者当一个抓取动作遇到阻力时，与EMG设备相比不会使四肢感到分离和不自然。EMG假肢的另外一个问题就是，病人不得不一板一眼的重新训练他们的大脑，在肌肉运动和其结果之间建立新的联系——比如说，一个肩膀收缩动作会转变成一个抓取动作，一个胸肌的收缩动作会转变成一个伸假臂的动作。
但是有一个方法可以克服机动假臂的这两个难题——利用一种叫做重组神经移植的技术。芝加哥康复研究所假肢神经工程中心的主任Todd Kuiken和他的同事Aimee Schultz、Blair Lock以及Marasco博士（他曾供职于NECAL）是这方面的先驱。这项技术是把原先控制和感受被截肢体的神经重排，将其连接入身体的其他部位中。比如说，把截臂的运动神经重连到残肢、肩部或胸部的肌肉里，把感受神经重连到这些部位的皮肤里，如此就建立了一个通向未截肢前控制四肢的大脑部位的通路。
这是一个奇怪并且有点残忍的方法，因为这意味着如果病人想弯曲他已经不在的手指，他身体另外部位的肌肉会收缩(这个部位现在已经连入了原来控制手指的神经)。“当截肢患者想张开手掌或握住拳头，这些肌肉就会抽动，”Marasco博士说。EMG感受器检测到这些信号，把它们转换成引起机械手张开或握住的控制信号。病人只要去动动已经不在的手指就可以张开或者握住他的假手了。
感受神经以相似的方式工作，但是它们不会重连到不同的肌肉里，而是重连到感受器系统的皮肤里。“它们把自己铆钉在皮肤里的感受器上，” Marasco博士说。所以当经过神经移植的皮肤（可能是胸部或肩部的皮肤）受到碰触时，病人就像是感受到了截肢。“它们可以感知截然不同外界刺激：震动、温度、压力，”他说。这意味着在理论上说，一个假肢里的感受器可以刺激经过神经移植的皮肤产生真实的感觉。
Schultz小姐说，第一个感受神经移植的案例事实上是在2003年一次偶然事件中发生的，那时是第一次做这样的手术。一些病人接受手术，医生把他们的运动神经重连到了不同的肌肉里，但是同时也把感受神经重连了——把感受神经连到了皮肤感受器上。当时医生对此毫无察觉，直到一位病人说自己在把酒精涂抹到胸部时，感受到了他的截肢，医生们才明白过来。“每个人都震惊了，” Schultz小姐说。
“有目的的神经移植包括重排原先控制截肢的神经。”
这就为给病人提供反馈的可能性打开了一扇门。但是要使病人能感受事物意味着要研制感受器让假肢能够感受，还要研制相应的装置去刺激经过神经移植的皮肤。为了做到这些，Marasco博士和他的同事已经在与伊利诺斯州埃文斯顿西北大学的触觉专家Ed Colgate、埃文斯顿一家生物机电工程公司的Kinea Design一起合作，研发一种可以附着到截肢患者皮肤上的触觉感知装置。
多重感受装置已经研制出来并在经过神经移植的截肢患者身上测试，转换接触、压力、震动、剪切力和温度的感觉。这些研制出来的样品装置用机械刺激产生上述感觉，用电制冷机产生不同的温度。病人感受到了截肢曾感受到的感觉，一个病人甚至能用人造触摸感受器靠触摸区分砂纸、特氟纶和凸凹不平的电脑排线。
Marasco博士说，尽管在胸部、肩部和上臂里的感觉感受器要比手中的远少得多，但是经过神经移植后这些部位皮肤的触敏度增加了。还完全清楚这到底是为什么，但是可能要归因于大脑如何感受这些信号。“似乎大脑把更多的处理能力用于这些神经，”他说。能够达到多大的触敏度还要拭目以待。“这是一个未知领域，” Marasco博士说。
但是，要重连瘫痪病人的四肢神经使其重换活力，就需要一种大不相同的方法了。研究人员必须以控制运动的更深层神经为目标。电刺激瘫痪病人肌肉的注意并不新颖。过去几年里许多不同的技术层出不穷，大部分是同过皮肤上的电极从外部对肌肉施加微小的电震动，使肌肉收缩。这些方法除了提供了一种锻炼肌肉防止肌肉萎缩的方式外，也给了我们希望：这种“功能性的电刺激”或许也能够帮助病人恢复运动能力。
使其重焕活力
但是外部刺激并不理想，俄亥俄州克利夫兰凯斯西储大学的生物医学工程学家Dustin Tyler说。腿部的肌肉群很大以至于肌肉整体不会收缩，他说。所以他和他的同事一直在靠研究腹股沟部的股骨神经寻找可以激活这些肌肉的方法。“通过回到神经本身你就可以控制所有肌肉，“他说。股骨神经分为一些单独的神经束，每一个神经束都包含了不是数千就是数百根单独的神经。不同的神经束导入不同的肌肉中，所以在不同时间不同程度地刺激这些神经束组就能够产生协调的腿部运动。
通过在神经束周围包裹所谓的cuff电极（见注释2）就能够刺激神经束了。问题是在股骨神经内所有的神经束是捆绑在一起的，很难去单独刺激它们。但是Tyler博士研制了一种cuff电极，通过轻轻的无伤害地使股骨神经变平去区分这些神经束。大多数的电极是根据神经是圆筒状的假说设计的，他说。但是把股骨神经变成扁平状就可以接近单独的神经束了，就像是旧式电脑电缆里的并行线路一样，Tyler博士说。
用触摸感受器产生真实触摸感
依靠控制电脉冲的强度和持续时间，就可能去控制组织收缩的程度。除了让病人站起来走两步之外，Tyler博士和他的团队已经把这项技术的一个早期版本应用于一位病人的胳膊，让其能够做出抓取动作——尽管是颤颤巍巍的。他们希望能在十一月进行他们新电极的第一次永久性移植。
但是要产生完全的运动，还不清楚的是病人怎样控制这样一个系统。那些仍然可以控制自己上身的截瘫患者可以使用一些操纵界面来做出一定模式的协调动作，像是战栗，行走和坐。但是长远来看，最终的目的是在大脑的运动皮层植入电极。
这还很遥远。但是目标性的神经移植现在是一种可用的治疗方式了。到目前为止全世界40多人已经接受就神经移植。尽管目前病人智能用它来控制假肢，但是感知反馈不远了。而且这仅仅是重连神经系统并把神经连接到电极和自动装置上的第一批案例。
注释
1． phantom limb syndrome 是幻肢综合症，一般指的是截肢后的却感觉肢体尚在这种情况，常伴随着神经痛。
2． cuff electrodes：通过模具制作预成的硅胶套管,然后以缝合的方式将三极电极丝间隔5mm附着于套管的内壁上,构成能够植入体内的三极cuff电极
译者：踏雪寻友