电极植入物帮助瘫痪患者重新站立

罗布·萨默斯站了起来。双脚着地，双腿伸直，臀部方正。他以前做过无数次——早上起床和他的夺冠大学棒球队一起训练，或者从沙发上站起来拿零食。

最令人难忘的是，在2006年7月的一个夜晚，他站起来走出家门，走向停在俄勒冈州波特兰市街道上的汽车。站在他的福特探索者旁边，他看到另一辆车从后面驶来。它开得很快——太快了。

在他来不及躲开之前，那辆车把他撞倒在地，司机逃离了这可怕的现场：萨默斯躺在沥青上的一摊血中，他是一起肇事逃逸的受害者，这起事故切断了他大脑和脊髓之间的联系，导致他胸部以下瘫痪。

三年半后：23岁的萨默斯再次站了起来。他在一个实验室里，连接着电线和传感器，周围是医生和研究助理。他是这个实验中第一个取得巨大成功的患者。

当萨默斯再次站起来时，加州大学洛杉矶分校的神经生物学家雷吉·埃奇顿平静地在旁边等待着。正如埃奇顿所预料的，研究人员在萨默斯下背部植入的电极阵列在几周前有效地通过恢复肌肉和神经系统之间的自然连接来重新激活萨默斯的四肢，神经系统发出运动指令。只需少量电流流入他的下脊髓，萨默斯的腿部肌肉就知道如何工作——无需大脑的任何输入。

多年来，科学家一直认为脊髓只不过是一条将信息传递到大脑和从大脑传递信息的华丽电话线。普遍接受的观点是，大脑提供运动指令，从自主的“拿起球”到非自主的“哎哟，别踩那个尖图钉”。

通过完全或部分切断电话线般的脊髓，意味着控制中心的信息无法传递到身体其他部位。瘫痪是对话的终结；木偶师的线被剪断了。

但在四十年的时间里，通过数十项实验，埃奇顿和他的同事们已经表明，脊髓的智慧与大脑的智慧非常相似：它能独立检测感官信息并发出控制我们运动的信号。当埃奇顿看着萨默斯站直时，几十年的研究成果浮现在眼前。

建立连接

1942年，2岁的雷吉·埃奇顿患上了小儿麻痹症，这种病现在更广为人知的是脊髓灰质炎。它是一种病毒感染，侵袭脊髓和大脑，攻击负责运动的神经元或神经细胞。1955年，比埃奇顿晚了13年，美国开始广泛使用一种新的脊髓灰质炎疫苗，最终将阻止数百万儿童感染脊髓灰质炎并遭受其后果。

今天，埃奇顿只带着童年时期这场疾病留下的一点点身体痕迹，在他的左臂稍有发育不良。但很难不看到——他认为——这种经历对埃奇顿长期努力帮助瘫痪者行走的影响。

这项工作始于20世纪70年代中期，当时埃奇顿正在研究运动对肌肉的影响，他了解到瑞典科学家正在将行走和站立动作直接追溯到下脊髓的神经信号。这项工作的带头人是哥德堡大学的神经科学家斯坦·格里尔纳，他用猫进行化学实验，猫是研究运动的标准实验动物。

格里尔纳切断了猫的脊髓，使其瘫痪，然后给它们注射了一种名为L-多巴的氨基酸，这种氨基酸通常用于治疗帕金森病——一种以运动症状为特征的中枢神经系统神经退行性疾病。

L-多巴信号背后的确切机制仍未完全了解，但有一点很清楚：它有效地使脊髓发出化学信号，刺激猫原本不动的腿——而且不仅仅是膝跳反射般的自动反应，而是更复杂的步态样、有节奏的模式。格里尔纳确定，这种运动是由下脊髓中连接感觉神经元和运动神经元的中间神经元放电激活的。

埃奇顿于1976年休假六个月，与格里尔纳一起研究这些中间神经元。格里尔纳和埃奇顿继续用L-多巴处理的猫进行研究，用一个小的玻璃电极探测这些动物的脊髓。这是一项细致的工作，但电活动测量最终使科学家们能够绘制出一些特定中间神经元的位置，这些中间神经元正在命令瘫痪的腿部肌肉运动。

在另一组研究中，格里尔纳团队在小猫出生后不久切断了它们的脊髓。然而，随着时间和训练，这些小猫能够在跑步机上重新行走，完全不需要L-多巴或电极刺激。让小猫进行重复的踩踏动作似乎有助于它们恢复运动。“如果损伤发生在出生后早期，恢复的可能性会大得多，”埃奇顿解释道。“新生儿神经系统具有一些独特的修复能力。”

这让他想知道：患有完全性脊髓损伤、身体康复能力较差的成年人，能否康复？是否仍然有可能训练他们的脊髓重新学会行走？“当我回到加州大学洛杉矶分校时，”埃奇顿说，“我想完全专注于这个问题。”

1978年，埃奇顿回到加州大学洛杉矶分校的实验室，开始了一系列针对脊髓被切断的成年猫的实验。这些瘫痪的猫的躯干被固定在连接杆的小背心中，后爪放在跑步机上。跑步机启动后，猫的后腿开始小跑。值得注意的是，运动神经元仍然知道如何向腿部发送行走指令。埃奇顿得出结论，行走的感官信号来自爪子上的重量，而不是来自大脑。

该领域的其他研究人员将这些结果归因于反射，很像医生敲击你的膝盖时发生的非自主运动。但到了20世纪80年代末，先进的药理学让埃奇顿能够证明他们是错的：为此，他给瘫痪的猫注射了士的宁，一种常用于鼠药的毒素。

士的宁会阻断甘氨酸，甘氨酸是一种抑制脑干和脊髓神经功能的氨基酸。随着甘氨酸屏障的消失，神经活动上升。不到半小时，已经瘫痪了三个月的猫开始行走，就像它们的脊髓完好无损一样——这绝不是反射效应。

“我们证明，如果让脊髓接受训练模式，它就可以学习，”埃奇顿说。“训练提供刺激。如果你停止训练，它就会忘记如何迈步。”

到20世纪90年代初，埃奇顿和他的团队决定看看他们是否也能教人类脊髓一些东西。他们的研究对象是部分和完全脊髓损伤的患者。只有部分损伤的患者在物理治疗（包括定期辅助行走和在跑步机上进行引导式腿部练习）后显示出改善。

许多人最终恢复了对腿部肌肉的自主控制，能够站立甚至独立行走。研究人员推测，运动重建了大脑和脊髓之间的连接，唤醒甚至重新生长了受伤患者失去的运动神经回路。

为运动而布线

埃奇顿也想训练他完全瘫痪病人的脊髓。他知道他们需要的不仅仅是物理治疗。他推测，也许脊髓的直接电刺激可以做到单纯物理治疗所不能做到的事情。

为了验证这个想法，他切断了红眼睛、白毛实验鼠的脊髓，使其后腿以下瘫痪。然后他的团队将微小电极连接到尾巴上方几节椎骨处，就在脊髓上方薄膜的顶部。这些连接了电极的老鼠被放置在跑步机上的背心状束缚中，并通过连接到电极的电线和控制器系统进行电击。

这个策略奏效了：通过正确的电流频率（通常是40赫兹），电极可以刺激瘫痪老鼠的腿行走，就像它们的脊髓从未被切断一样。“经过足够的训练，这些老鼠能够以各种速度向前、向后和侧向迈步，”埃奇顿解释道。

一旦电极关闭，迈步运动就停止了，这些瘫痪老鼠的后腿再次在移动的跑步机上拖曳。随着时间的推移，经过严格的训练，只要电极打开，这些老鼠就能够再次行走。

实验的成功鼓舞了埃奇顿，他觉得他可能已经准备好使用电极植入物来帮助人类。当时，埃奇顿还担任克里斯托弗和达纳·里夫基金会（Christopher and Dana Reeve Foundation）的董事会成员，该基金会是已故《超人》演员的瘫痪研究和援助组织，这位演员在1995年的一次骑马事故后颈部以下瘫痪。

2000年，里夫听说埃奇顿试图重新训练脊柱行走的工作，并表示有兴趣参观他的实验室。埃奇顿和他的团队向里夫展示了他们正在用老鼠、猫和人类进行的跑步机和电极工作。

“然后我们问他是否想尝试站在跑步机上。他当然想，”埃奇顿说。“他立刻成了我们的忠实粉丝。”跑步机上方有一个安全带支撑他的身体，跑步机移动时，物理治疗师控制他的每条腿。埃奇顿说，站立起来“对他来说是一种激动人心的时刻”。

看到老鼠身上电极工作的希望也给里夫留下了深刻印象。在访问后的几年里，他的基金会向埃奇顿的实验室捐赠了约400万美元，以寻找一种方法来训练完全性脊髓损伤患者再次行走。

里夫于2004年去世，他一定会很高兴看到埃奇顿的前博士后、神经科学家苏珊·哈克玛（Susan Harkema）所取得的进展。哈克玛的大部分工作都在肯塔基州路易斯维尔大学进行，她在那里一直在开发治疗完全性脊髓损伤的人类方法，采用了埃奇顿用于红眼睛老鼠的相同电极刺激和手术策略。

为了将电流直接输送到人体脊髓，哈克玛改造了一种最初设计用于抑制疼痛的医疗设备。该设备由16个电极组成，封装在一个几厘米长的微小阵列中，将通过手术植入患者的下背部，就在硬膜（围绕脊髓的三层膜中最外层）上方。

电线将从阵列连接到一个小而矩形的神经刺激器设备，该设备携带电荷。这将植入下背部皮肤下方。正如埃奇顿的设备激活了老鼠的神经系统一样，哈克玛的可充电可编程设备将告诉连接到硬膜的电极向低位脊髓中的神经元施加多少电量以及多久一次。

一旦这些神经元放电，它们就会记住如何相互交流，并与肌肉交流。随着时间的推移和训练，脊髓与大脑之间失去连接的患者将使用遥控器向设备传达有意识的指令。

但在此技术取得进展之前，埃奇顿和哈克玛需要一名患者和美国食品药品监督管理局（FDA）的批准。

离开替补席

受伤后，萨默斯仍然热爱棒球，开始自己研究寻找一种以运动为基础的脊髓治疗方案。2007年，他遇到了哈克玛，并搬到了路易斯维尔。

到2009年，埃奇顿的工作已显示出足够的希望，FDA批准了他和哈克玛使用电极设备进行一系列人体实验的请求。受试者需要有完全性脊髓损伤，腰部以下没有运动能力。他们还需要能够进行许多长时间且可能艰苦的物理实验，以尝试复制埃奇顿在他的老鼠身上看到的成功。

受试者必须在跑步机上花费数小时，以确保仅靠物理训练没有恢复的机会。所涉及的严谨性将需要兼具力量和毅力的人。萨默斯，这位前大学运动员，是完美的人选。

哈克玛和她的团队首先与萨默斯进行了运动训练，没有电刺激。正如预期的那样，萨默斯在脊髓损伤水平以下站立或移动的能力没有改善。

2009年末，哈克玛和埃奇顿的团队将电极阵列直接植入萨默斯的硬膜上方。神经刺激器设备和遥控机制仍然像一小叠名片一样突出在他的背部右下方。

手术恢复几周后，萨默斯来到实验室，期待着一个漫长的尝试和失败的过程。但就在他第一次尝试站立时，电极阵列让萨默斯的神经元开始对话。一名研究人员打开了神经刺激器。萨默斯被绑在安全带上，连接着传感器，被放到了跑步机上。

当他的双脚着地，下半身开始感觉到体重时，萨默斯的双腿开始运动——就像埃奇顿早期跑步机实验中老鼠的腿一样。训练员在这个过程中稳定了萨默斯，但当他直立站在跑步机上时，他们慢慢地放开了手，直到他独自站立。“所有人都震惊了，”埃奇顿回忆道。

萨默斯直立站着，两条腿支撑着他三分之一的体重，他脊髓中的中间神经元现在受到电刺激，向他的运动神经元和肌肉发出直立站立的指令。缓慢而笨拙地，萨默斯的身体开始重新掌握非常基本但令人惊叹的控制。

电极阵列打开后，脊髓被唤醒了。它又能接收和处理感官信息了。在电极的帮助下，它能感觉到萨默斯脚底的压力，并能做出反应。

随着它的觉醒，萨默斯的脊髓变得越来越敏锐。萨默斯有意识地为他的身体站立创造了先决条件，通过给脚施加重量，但他并没有有意识地进行站立。埃奇顿称之为“间接自主”，并指出这种有意识和自动活动的结合正在改变研究人员对运动的看法。

经过几个月的植入物训练，萨默斯开始在更长时间内更稳定地站立方面显示出显著改善。出乎意料的是，他还恢复了腰部以下的其他类型的运动：扭动脚趾、移动脚踝、弯曲膝盖和弯曲臀部。

他的运动神经元与下半身肌肉的交流越多，他就越能记住如何运动。训练通过电刺激本身得到了增强。埃奇顿说，电流可能重新激活了受损的神经元，或者导致新的神经元在损伤部位生长，或者两者兼而有之。

尽管2009年第一次使用安全带时他只能站立几分钟，但萨默斯现在每天独自练习一小时。他还定期进行有氧运动和力量训练。

在这次治疗之前，萨默斯和大多数脊髓损伤患者一样，在受伤部位以下无法出汗，他在调节血压和勃起方面有困难；他无法控制自己的膀胱和肠道。

他说：“我有一张近两页长的处方清单”来调节这些功能中的大部分。但植入后并通过广泛的训练，萨默斯已经恢复了对这些功能中大部分的控制，并戒掉了药物——这是一个意想不到的结果，他说这让他找回了事故后失去的大部分自由。

埃奇顿不能确定这些功能为什么会恢复，尽管他推测，随着肌肉再次活动，更多的血液泵入腿部，这些功能可能已经恢复。这导致身体记住并重新启动失去的功能。

“这个实验证明这可能发生。这是关键。所以问题是，多少患者能从中受益多少？这就是研究需要深入的地方。”

用于萨默斯的电极设备尚未精细到足以用于行走，行走是一种复杂得多的运动。埃奇顿和哈克玛现在正在开发一种更复杂的刺激器，可以帮助患者迈出下一步。新设备将配备像植入萨默斯体内一样的电极，但刺激模式将更加复杂，允许不同的强度和更具针对性的刺激。他们已经有了设计，现在需要资源来建造、测试并获得FDA批准用于人体试验。

绕过基地

萨默斯认为自己不久的将来就能走路，甚至可能再次挥棒。在洛杉矶工作了一段时间，拍摄了一部关于他生活的纪录片后，他又回到了路易斯维尔继续治疗。他还成立了罗布·萨默斯基金，隶属于里夫基金会，旨在为寻找治愈瘫痪的方法筹集资金。

就他而言，埃奇顿对于说他已经找到了治疗方法，或者说这种治疗将使脊髓损伤患者摆脱轮椅，在街上漫步，持谨慎态度。但从核心来说，这正是这项工作的动机——也是埃奇顿几十年来达到这一点的动力。

他和哈克玛的团队已经为其他三名不愿透露姓名的受试者植入了电极。他的团队已获得FDA批准，可以为另外两名患者进行治疗。第二、第三和第四名患者，紧随萨默斯的脚步，已经能够站立并逐渐控制身体功能。“我们深受鼓舞，”埃奇顿说。

他没有退出比赛的计划，即使他快到73岁生日了。埃奇顿说这是他职业生涯中最激动人心的时刻之一。“这些年来发生的事情是，脊髓不断带来惊喜，”他说。随着它的发展，埃奇顿和他的同行们可能会更好地利用它的能力，并在患者的生活中取得显著改善。

[本文最初以“站立的希望”为题发表。]

科学家们着眼于治愈

电刺激是帮助瘫痪患者重新站立的一种方法，但研究人员也在测试许多其他新颖的方法，希望能找到一种纯粹的生物学疗法——一种超越侵入性干预或持续机械支持的方法。以下策略是初步但有希望的。

预防损伤

脊髓损伤后，附近的神经元失去绝缘能力和通过自然电脉冲进行通信的能力。当科学家们在完全性脊髓损伤后数小时内给小鼠服用一种口服药物LM11A-31（旨在预防阿尔茨海默病患者的神经退行性变）时，它限制了保护神经纤维的细胞死亡，使实验啮齿动物保留了行走和游泳的能力。

该药物与通常在受伤后杀死保护细胞的蛋白质结合；如果这些蛋白质失效，更多的神经连接可能保持完整，1月份发表在《神经科学杂志》上的一项研究的主要作者Sung Ok Yoon说。LM11A-31是非侵入性的，风险低且已获得FDA批准，但研究人员尚未将其用于瘫痪患者。

注意事项：该药物尚未在人类身上进行瘫痪治疗测试，并且必须在受伤后立即给药，否则无效。

修复神经细胞

通过重新绝缘受损神经并再生神经细胞，在过去十年中，施旺细胞移植已在瘫痪小鼠、猪和灵长类动物研究中证明了其有效性。在健康个体中，施旺细胞包裹神经纤维，对其进行绝缘和保护，就像家用电线上的涂层一样。

据“迈阿密瘫痪治愈项目”研究员、神经学家金·安德森（Kim Anderson）称，当施旺细胞移植到脊髓损伤部位时，它们可以桥接脊髓中的间隙，并分泌生长化学物质以诱导新的神经纤维萌生。

在去年迈阿密项目的一项早期临床试验中，研究人员从患者腿部一个易于获取的感觉神经中提取施旺细胞，在培养物中培养它们，并将其注射到脊髓损伤点。结果将在大约一年后公布。

与此同时，另一种保护细胞提供了一种替代修复方法，如发表在《大脑》杂志上的一项研究所述。在该研究中，科学家们从完全性脊髓损伤的狗的鼻腔中取出嗅鞘细胞，并将其注射到受损神经的部位。结果是运动和前后腿之间的协调性得到改善。

注意事项：迄今为止，这种策略只能改善脊髓神经细胞之间的交流，但没有证据表明这些神经元与大脑之间的交流有所改善。

恢复功能

为了促进更长距离的神经生长，研究人员正在研究干细胞。去年发表在《细胞》杂志上的一项研究表明，人鼠干细胞可以嫁接到瘫痪大鼠的脊髓上，形成能够跨越损伤部位进行通信的新神经。

结果呢？大鼠后腿的每个关节都能活动。现在，苏黎世的一项临床试验首次提供了干细胞疗法可以恢复完全性脊髓损伤患者部分功能的证据。在注射脑源性干细胞到损伤部位12个月后，三名人类参与者中的一名已经恢复了脊柱最低部分的某些感觉。

研究人员不确定干细胞具体如何发挥作用，但他们认为它们正在进行神经修复。“可能不止一种作用方式，”神经外科医生斯蒂芬·胡恩说，他是赞助这项研究的公司StemCells中枢神经系统项目的负责人。

注意事项：中枢神经系统干细胞移植仍处于高度实验阶段。

— 布雷安娜·德拉克斯勒