神经旁路系统

程超

控制运动的“司令部”位于大脑皮层，最终的“执行官”就是分布在身体各处的肌肉，大脑皮层与肌肉之间的指挥信号靠神经传导，脊髓是神经信号传导的必经之路。如果脊髓发生损伤，“神经高速公路”就会被截断，神经控制信号也就无法传递了。这时候，尽管患者的肌肉和大脑都完好无损，但运动功能还是无法实现，这就会导致“截瘫”。

19岁的美国小伙伊恩不幸意外撞坏了脖子，第5颈椎处的脊髓受到严重损伤，因此瘫痪，失去手部运动能力，自由自在的生活从此一去不复返。

像伊恩这样因意外导致的脊髓损伤病人不在少数，但是大家都知道脊髓的神经损伤很难修复，许多人不得不面对终身瘫痪。

绕过受伤的脊髓

修复损伤的脊髓神经很难，科学家们就打破习惯思维，想方设法绕过脊髓传递神经信号，但是这也很不容易。有不少实验室研发出了让大脑直接对机械“发号施令”的脑机接口，通过植入芯片，瘫痪者能够用机械手给自己拿来一杯饮料；在实验室里，猴子还用“意念”开起了轮椅。

最近，美国巴特尔纪念研究所在神经科学和神经工程上有了一项重大突破。新的研究成果是一套被科学家们称作“神经旁路系统”（NBS）的新型设备。它可以绕过患者受损的脊髓，将植入式脑机接口与电刺激结合，在大脑和手臂之间建立起一条全新的信息通路，实现对瘫痪肢体较为精细的控制。

伊恩有幸成为这个研究的第一个受益者。为了建立起绕过脊髓的神经旁路，研究者们首先通过磁共振扫描在伊恩的左半球运动皮层上识别出了负责右手运动的区域，然后在这块脑皮层上植入了一块约有5毫米见方的电极阵列。阵列上均匀分布了96个探针电极，将电极附近的神经信号源源不断地传输到电极后端的工作站上。经过工作站上“机器学习”算法的处理，伊恩的运动意图被解读出来，转化成电刺激信号，通过贴在手臂上的电极刺激肌肉，最终让伊恩自己的肢体动起来。

在实验的初期，科学家为伊恩播放手部运动的三维动画，让伊恩想象自己在按照动画做手部运动。此时大脑产生的活动会被阵列电极捕捉，再由机器学习算法不断“领会”。经过人与机器的多次训练“磨合”之后，伊恩再想象某个手部运动时，算法就会识别出来，并驱动肌肉完成这个动作。

瘫痪的手指动起来

在適应了NBS系统的操作方式之后，伊恩做出了久违的手腕屈伸、手掌开合等动作。最终，奇迹出现了，伊恩用原本瘫痪的手顺畅地完成了抓握瓶子、刷卡等一系列动作，甚至还玩起了“吉他英雄”的游戏，展示了NBS系统实现精细手指控制的能力。

此项研究成果激动人心之处在于，它让瘫痪人士重新恢复了肢体功能，而且还是重要的手部功能，不仅实现了简单的手指运动，还能让患者掌握拇指屈伸、中指屈伸等单个手指的精细动作。有了这些控制上的细节，抓握瓶子、倒水、搅拌等动作都可以顺利完成，将为患者的生活带来极大的便利。

伊恩的成功让人们对这项研究的发展充满期待。目前，这套新技术还在继续研究和改进，最终希望能够推广到更多的神经干预和神经康复治疗中，让脑卒中、颅脑损伤等各种神经运动障碍的患者都能从中获得帮助。