Nature子刊 | 神经义肢技术：从感觉运动到认知障碍(上)
由神經(jīng)元群體同步發(fā)放所產(chǎn)生的、節(jié)律性變化的神經(jīng)活動(dòng)模式——神經(jīng)振蕩（Neural Oscillation）在整個(gè)神經(jīng)系統(tǒng)中無處不在，支持大腦和脊髓的感覺、運(yùn)動(dòng)和認(rèn)知功能，在神經(jīng)退行性疾病和神經(jīng)精神疾病中經(jīng)常被破壞。這些振蕩發(fā)生在中風(fēng)、創(chuàng)傷性腦損傷或脊髓損傷(SCI)后。盡管存在不同的潛在機(jī)制，但異常甚至消失的神經(jīng)振蕩似乎是神經(jīng)障礙的一個(gè)標(biāo)志，并在其行為癥狀中起著致病作用。神經(jīng)義肢是神經(jīng)科學(xué)和生物醫(yī)學(xué)工程交叉的多學(xué)科領(lǐng)域，旨在替代或調(diào)節(jié)因神經(jīng)疾病或受傷而受損的神經(jīng)系統(tǒng)部分。盡管神經(jīng)義肢在過去的60年里在感覺和運(yùn)動(dòng)障礙領(lǐng)域穩(wěn)步發(fā)展，但在高階認(rèn)知功能方面的應(yīng)用仍處于相對(duì)初步的階段。然而，最近一系列的概念驗(yàn)證研究表明，神經(jīng)電調(diào)節(jié)策略可能也有助于緩解一些認(rèn)知和記憶缺陷，特別是在癡呆癥的情況下。
在本文中，我們回顧了目前在感覺運(yùn)動(dòng)和認(rèn)知障礙的神經(jīng)調(diào)節(jié)和神經(jīng)義肢方法的研究現(xiàn)狀，重點(diǎn)是在非靈長(zhǎng)類動(dòng)物(NHPs)和人類中測(cè)試的侵入性神經(jīng)技術(shù)。首先介紹了用于中風(fēng)或脊髓損傷引起的運(yùn)動(dòng)損傷的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)義肢的概念，以及用于截肢或癱瘓后提供感覺反饋的體感神經(jīng)義肢的概念。接著提出深部腦電刺激(DBS)治療帕金森病的運(yùn)動(dòng)和認(rèn)知癥狀。然后，討論了表征認(rèn)知功能的神經(jīng)振蕩，特別是學(xué)習(xí)和記憶，以及它們?cè)贏D和其他記憶障礙的神經(jīng)調(diào)節(jié)方法的最新進(jìn)展。最后，提出了一個(gè)誘人的假設(shè)，即認(rèn)知缺陷將特別受益于新一代神經(jīng)義肢系統(tǒng)的發(fā)展，該系統(tǒng)針對(duì)大規(guī)模的大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)振蕩，并促進(jìn)相關(guān)的神經(jīng)功能。
01
運(yùn)動(dòng)神經(jīng)義肢
運(yùn)動(dòng)神經(jīng)義肢是指一種特殊類型的神經(jīng)義肢，旨在通過電刺激涉及產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)(肌肉、周圍神經(jīng)、脊髓或大腦)來恢復(fù)運(yùn)動(dòng)功能，用于中風(fēng)或SCI等神經(jīng)運(yùn)動(dòng)障礙。第一個(gè)運(yùn)動(dòng)神經(jīng)義肢是1961年由利伯森和他的同事發(fā)明的腓神經(jīng)刺激器，用于治療偏癱后的足下垂。神經(jīng)義肢這個(gè)術(shù)語(yǔ)最初是在1971年的科學(xué)文獻(xiàn)中提出的，指的是在截癱后允許膀胱排空的椎管內(nèi)植入物。從那時(shí)起，運(yùn)動(dòng)神經(jīng)義肢的定義也擴(kuò)展到從大腦信號(hào)中提取運(yùn)動(dòng)命令以控制外部設(shè)備的技術(shù)，也稱為BCI或BMI。
功能性電刺激(FES)：FES是一種臨床批準(zhǔn)的神經(jīng)刺激技術(shù)，它可以激活支配特定肌肉的傳出軸突，以產(chǎn)生所需的運(yùn)動(dòng)。刺激可以在目標(biāo)肌肉附近或支配它的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)，在這種情況下，它被稱為周圍神經(jīng)刺激(PNS)，使用非侵入性、經(jīng)皮或完全植入的電極。這些電極依次連接到一個(gè)電刺激器，通常可以控制多達(dá)16個(gè)獨(dú)立的通道。這種刺激系統(tǒng)可能只是用來增強(qiáng)肌肉力量，通常被稱為神經(jīng)肌肉電刺激，或者它們可以幫助完成功能性任務(wù)。在臨床上，FES主要用于中風(fēng)引起的偏癱。在SCI的背景下，FES也在研究中得到了廣泛的測(cè)試，但尚未成為標(biāo)準(zhǔn)的臨床實(shí)踐。總的來說，FES系統(tǒng)代表了已被臨床接受的神經(jīng)義肢的主要類別，但它們?nèi)匀恢饕窒抻谥酗L(fēng)后運(yùn)動(dòng)康復(fù)。然而，FES以非生理順序運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生力，但不抗疲勞，這使得FES在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)維持大力具有挑戰(zhàn)性。為了避免這種限制，可選擇感覺傳入和激活脊髓內(nèi)的反射回路的方法。
脊髓電刺激（SCS）：作為一種治療慢性疼痛的方法，因其在運(yùn)動(dòng)控制方面的應(yīng)用而受到廣泛關(guān)注。硬膜外SCS可以通過經(jīng)皮或完全植入的導(dǎo)線輸送，導(dǎo)線中含有放置在硬膜外后部空間的多達(dá)16個(gè)電極，然后連接到外部或植入式脈沖發(fā)生器(IPG)。
研究人員于1986年首次觀察到SCS可用于脊髓損傷后的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)義肢。1996年研究人員證明了經(jīng)腰椎脊髓輸送的SCS可以產(chǎn)生有節(jié)奏的肌電圖反應(yīng)和類似于步進(jìn)的屈伸腿運(yùn)動(dòng)。后續(xù)的研究也表明，不同的刺激頻率也可以產(chǎn)生雙側(cè)下肢伸展2002年研究人員首次將SCS與運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練相結(jié)合。2011年研究人員再次將SCS和神經(jīng)康復(fù)結(jié)合起來，表明，在一個(gè)完全SCI的受試者接受80次高強(qiáng)度訓(xùn)練后，SCS可以讓他們獨(dú)立、完全負(fù)重站立。同時(shí)一名受試者繼續(xù)使用SCS訓(xùn)練3.7年，導(dǎo)致在沒有SCS的情況下部分恢復(fù)了自主腿部運(yùn)動(dòng)，這表明SCS具有觸發(fā)神經(jīng)可塑性機(jī)制的潛力。
2018年，SCS在脊髓損傷患者中的應(yīng)用達(dá)到了一個(gè)里程碑。運(yùn)動(dòng)功能完整的脊髓損傷患者結(jié)合強(qiáng)化康復(fù)，可以實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的地上行走。與此同時(shí)，研究人員開創(chuàng)了一種名為時(shí)空SCS的新范式，在3名慢性不完全SCI受試者的訓(xùn)練6個(gè)月內(nèi)立即促進(jìn)了行走和長(zhǎng)期運(yùn)動(dòng)功能的恢復(fù)。總的來說，這些結(jié)果引起了人們對(duì)將SCS整合到SCI后康復(fù)方案的興趣。
腦控制運(yùn)動(dòng)神經(jīng)義肢：FES和SCS都是神經(jīng)義肢，可以通過檢測(cè)特定狀態(tài)變化的外部傳感器手動(dòng)控制或通過外部運(yùn)動(dòng)學(xué)事件控制。這些狀態(tài)變化也可以通過使用BCI/BMI技術(shù)直接從大腦信號(hào)中提取出來。
皮質(zhì)內(nèi)BMI起源于1982年，早期研究表明，在執(zhí)行觸達(dá)任務(wù)的NHPs運(yùn)動(dòng)皮層中的神經(jīng)元會(huì)被調(diào)整到運(yùn)動(dòng)的方向。隨著高密度微絲或微電極陣列(MEAs)的出現(xiàn)，神經(jīng)生理學(xué)家隨后能夠同時(shí)記錄數(shù)十或數(shù)百個(gè)來自運(yùn)動(dòng)皮層的細(xì)胞。在21世紀(jì)初，研究人員在NHPs中演示了這些皮質(zhì)內(nèi)MEAs，結(jié)合信號(hào)處理和機(jī)器學(xué)習(xí)，可以實(shí)時(shí)解碼預(yù)期的手部軌跡，并控制人工設(shè)備。隨后他們將這些發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化為一名四肢癱瘓的患者，在其手部的初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層區(qū)域植入96通道的MEAs，即使在癱瘓數(shù)年后，神經(jīng)信號(hào)仍然顯示出與運(yùn)動(dòng)相關(guān)的尖峰活動(dòng)調(diào)制。為了控制需要雙側(cè)協(xié)調(diào)的更復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，皮質(zhì)內(nèi)BMI也可以與額外的控制策略相結(jié)合。在最近的一項(xiàng)應(yīng)用中，研究人員將皮質(zhì)內(nèi)BMI擴(kuò)展到手寫(31個(gè)字符)的解碼，允許一個(gè)受試者以與典型智能手機(jī)打字速度相當(dāng)?shù)乃俣容斎刖渥印?/p>
ECoG植入物比皮質(zhì)內(nèi)MEAs的侵入性更小，由放置在皮質(zhì)表面或硬腦膜上的網(wǎng)格或電極條組成，通常用于癲癇的神經(jīng)監(jiān)測(cè)。2016年，研究人員將硬膜下ECoG條植入了一名肌萎縮性側(cè)索硬化癥患者的運(yùn)動(dòng)皮層，并將其連接到具有實(shí)時(shí)記錄功能的IPG上。在經(jīng)過28周的訓(xùn)練后，這種完全植入的BMI允許參與者控制打字程序。2019年，研究人員在一名四肢癱瘓患者身上測(cè)試了一種新的完全植入式ECoG記錄系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用64個(gè)硬膜外電極，兩側(cè)放置在運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)上。參與者接受了控制虛擬化身和四肢外骨骼的訓(xùn)練，在七周內(nèi)無需任何重新校準(zhǔn)即可達(dá)到3個(gè)自由度。最近，研究人員將硬膜下ECoGs應(yīng)用于語(yǔ)音神經(jīng)義肢，解碼基于50個(gè)單詞詞匯的完整單詞和從1000個(gè)單詞詞匯中生成句子的單個(gè)字母。
BMI不應(yīng)被視為與神經(jīng)刺激方法分離的一種神經(jīng)義肢，而應(yīng)被視為操作它們的控制信號(hào)的潛在來源。這些不同的研究為神經(jīng)義肢與神經(jīng)系統(tǒng)的雙向接口以及利用記錄和刺激能力鋪平了道路(如圖1所示)。
圖1.感覺運(yùn)動(dòng)障礙的神經(jīng)假體技術(shù)。a.通常用于感覺運(yùn)動(dòng)神經(jīng)假體的皮質(zhì)植入物可分為兩類：皮質(zhì)內(nèi)MEA，如Utah陣列(10 × 10 Utah陣列)，以及不同規(guī)格的硬膜外或硬膜下ECoG帶或網(wǎng)格(圖示為8 × 8 ECoG網(wǎng)格，接觸直徑4毫米，間距10毫米)。這些植入物既可以記錄神經(jīng)生理信號(hào)，也可以傳遞電刺激。b. 感覺運(yùn)動(dòng)神經(jīng)假體的外周和脊柱植入物針對(duì)FES的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)或肌肉，硬膜外SCS的脊髓，或PNS中的感覺神經(jīng)以獲得體感反饋。這里展示的所有應(yīng)用都使用了這些植入物來進(jìn)行電刺激。閃電標(biāo)志表示神經(jīng)刺激。
02
軀體感覺神經(jīng)義肢
神經(jīng)電刺激可用于誘導(dǎo)運(yùn)動(dòng)，如在運(yùn)動(dòng)神經(jīng)義肢中，但也可用于在截肢或癱瘓患者中誘導(dǎo)身體感覺，如觸摸或本體感覺。
外周體感神經(jīng)義肢：外周體感神經(jīng)義肢是一種基于感覺PNS的神經(jīng)義肢，用于為佩戴機(jī)械義肢的截肢者提供感覺反饋。早在70年代，研究人員研究了分別通過單通道非穿透式電極包裹在正中神經(jīng)或坐骨神經(jīng)上對(duì)上肢和下肢截肢者進(jìn)行刺激。最近，類似的袖帶電極已與骨錨使用，在3 - 7年的上肢截肢患者中與義肢提供穩(wěn)健的、慢性的雙向通信。PNS的特異性取決于針對(duì)神經(jīng)內(nèi)特定的神經(jīng)纖維束(稱為束)的能力。此外，支配不同身體部位的神經(jīng)束沿神經(jīng)橫切面組織，這推動(dòng)了橫向束電極的設(shè)計(jì)，它提供了多個(gè)束的更高空間選擇性，并已應(yīng)用于上肢和下肢。最后，Utah陣列的傾斜版本也被用于橫向PNS，可以在上肢截肢者中喚起多達(dá)100種不同的感覺。
皮質(zhì)體感神經(jīng)義肢：體感反饋可以傳遞到周圍神經(jīng)，也可以直接傳遞到體感背后的大腦結(jié)構(gòu)。研究人員于1937年在對(duì)癲癇患者的感覺和運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)進(jìn)行測(cè)繪時(shí)，首次奠定了皮質(zhì)體感神經(jīng)義肢的科學(xué)基礎(chǔ)。1998年在NHPs中證明了機(jī)械顫振的感覺可以通過以模擬刺激的頻率電刺激體感覺皮層中快速適應(yīng)的神經(jīng)元來人工誘導(dǎo)。在2011年的NHPs中首次證明了ICMS與皮質(zhì)內(nèi)BMI相結(jié)合，生成雙向神經(jīng)義肢，從運(yùn)動(dòng)或關(guān)聯(lián)皮層提取運(yùn)動(dòng)命令，并將反饋傳遞到體感覺皮層。在2016年到2018年間，研究人員在癱瘓患者體感覺皮層植入了患有慢性皮質(zhì)內(nèi)MEA，證明了ICMS可以喚起身體組織性的觸覺，包括皮膚和本體感覺方式。在2022年，這項(xiàng)技術(shù)中加入了術(shù)中定位程序，以針對(duì)特定的指尖，使參與者能夠區(qū)分多達(dá)七個(gè)手指特定的位置。與這些慢性植入平行，癲癇患者的急性實(shí)驗(yàn)表明，ECoG也可以通過刺激皮質(zhì)表面來傳遞感覺反饋，但比皮質(zhì)內(nèi)MEAs提供更低的皮組特異性。
雙向感覺運(yùn)動(dòng)神經(jīng)義肢的認(rèn)知益處：大量的研究小組所做出的實(shí)驗(yàn)表明，體感反饋不僅為用戶提供了感覺運(yùn)動(dòng)方面的好處，還為用戶提供了認(rèn)知方面的益處，包括改善義肢的體現(xiàn)，減少截肢者的異常幻肢知覺，更好的多感覺整合，更多的生理運(yùn)動(dòng)學(xué)和感覺運(yùn)動(dòng)策略，義肢的重量感知降低，以及在雙重任務(wù)中更好的認(rèn)知整合。這些令人興奮的結(jié)果為臨床采用雙向仿生神經(jīng)義肢提供了強(qiáng)有力的理論依據(jù)，這些義肢可以改善損傷后的感覺運(yùn)動(dòng)和認(rèn)知功能(如圖1所示)。
圖2.帕金森病運(yùn)動(dòng)癥狀的神經(jīng)調(diào)節(jié)靶點(diǎn)。a. BG、皮質(zhì)和丘腦區(qū)參與帕金森癥病理生理學(xué)的解剖位置。以STN或GPi(閃電標(biāo)志)為目標(biāo)的DBS是PD運(yùn)動(dòng)癥狀的主要治療方法之一。b. PD中SNc內(nèi)多巴胺能細(xì)胞的缺失會(huì)導(dǎo)致皮質(zhì)- BG -丘腦皮質(zhì)回路的直接和超直接通路的功能障礙，從而影響運(yùn)動(dòng)和認(rèn)知功能，并且可以使用STN或GPi的DBS部分恢復(fù)。
03
帕金森癥(PD)患者的神經(jīng)調(diào)節(jié)：
從運(yùn)動(dòng)癥狀到認(rèn)知癥狀
與感覺運(yùn)動(dòng)神經(jīng)義肢的發(fā)展同時(shí)，研究人員于1987年首次將腦深部結(jié)構(gòu)電刺激(稱為DBS)用于帕金森震顫，并從那時(shí)起成為幾種運(yùn)動(dòng)障礙的主要神經(jīng)調(diào)節(jié)療法。帕金森病的特征是黑質(zhì)致密部(SNc)多巴胺能神經(jīng)元的進(jìn)行性損失，導(dǎo)致一系列運(yùn)動(dòng)和非運(yùn)動(dòng)癥狀。運(yùn)動(dòng)癥狀主要包括震顫、肢體僵硬(強(qiáng)直)、運(yùn)動(dòng)緩慢(運(yùn)動(dòng)遲緩)、姿勢(shì)和平衡受損。非運(yùn)動(dòng)癥狀包括自主神經(jīng)功能障礙、情緒障礙和認(rèn)知障礙，隨著疾病的進(jìn)展，從輕度認(rèn)知障礙(MCI)到帕金森病癡呆(PDD)不等。PD影響整個(gè)基底神經(jīng)節(jié)(BG)電路，一組皮層下區(qū)域，包括丘腦下核(STN)，蒼白球的外部和內(nèi)部部分(GPe, GPi)，紋狀體和SNc。這些核通過丘腦與皮層區(qū)相互作用，從而產(chǎn)生幾個(gè)平行的BG丘腦-皮層環(huán)(如圖2)。SNc中多巴胺能細(xì)胞的缺失降低了多巴胺水平，導(dǎo)致BG丘腦-皮層網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)異常，進(jìn)而影響參與運(yùn)動(dòng)生成的運(yùn)動(dòng)皮層區(qū)域和參與認(rèn)知功能的前額葉區(qū)域。
STN或GPi的常規(guī)DBS治療運(yùn)動(dòng)癥狀：治療PD相關(guān)運(yùn)動(dòng)癥狀的兩種主要策略是多巴胺能藥物(左旋多巴)和STN或GPi的DBS，這在兩種情況下都能改善運(yùn)動(dòng)癥狀并減少所需的左旋多巴藥物。傳統(tǒng)的DBS方案采用高伽馬范圍(100-185 Hz)的頻率，可改善運(yùn)動(dòng)遲緩、僵硬和顫抖，但對(duì)步態(tài)凍結(jié)和吞咽等軸向運(yùn)動(dòng)癥狀效果不佳。相反，低頻DBS可以更好地控制這些癥狀，頻率在較低的伽瑪范圍(60-80 Hz)。然而，傳統(tǒng)的DBS對(duì)PD幾乎沒有改善，有時(shí)甚至?xí)夯J(rèn)知功能。在一些報(bào)告中指出STN的DBS會(huì)惡化精神運(yùn)動(dòng)速度、記憶、語(yǔ)義流暢性、現(xiàn)象流暢性和一般認(rèn)知功能。在另一項(xiàng)研究中，長(zhǎng)期隨訪(術(shù)后3.6-10.5年)的患者表現(xiàn)出整體認(rèn)知能力下降，并從MCI轉(zhuǎn)變?yōu)榘V呆，這表明傳統(tǒng)的STN-DBS并沒有阻止PD中觀察到的認(rèn)知能力下降。雖然關(guān)于GPi的DBS的非運(yùn)動(dòng)效應(yīng)的文獻(xiàn)較少，但當(dāng)靶向GPi而不是STN時(shí)，認(rèn)知結(jié)果似乎略好。但最近一項(xiàng)對(duì)91例伴有STN雙側(cè)DBS的PD患者的研究表明，STN內(nèi)的精確位置本身也可能對(duì)非運(yùn)動(dòng)效應(yīng)產(chǎn)生影響，包括情緒/冷漠、注意力/記憶和睡眠/疲勞，這可以解釋在患者之間觀察到的巨大差異。
Meynert基底核(NBM)：認(rèn)知障礙的潛在靶點(diǎn)。除了SNc中多巴胺能細(xì)胞的損失外，患有認(rèn)知障礙或癡呆的PD患者還表現(xiàn)出被稱為NBM的基底前腦核的膽堿能輸出的損失。這一觀察結(jié)果促進(jìn)了幾項(xiàng)基于NBM的DBS的研究，以改善PDD和其他疾病的認(rèn)知功能。
θ-DBS治療帕金森病的認(rèn)知障礙：PD的運(yùn)動(dòng)和認(rèn)知癥狀可以通過DBS靶向特定的解剖結(jié)構(gòu)來治療，也可以通過對(duì)給定的結(jié)構(gòu)應(yīng)用不同的刺激頻率來治療，這反過來可能會(huì)引起不同的網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)。特別是，有充分的證據(jù)表明θ波振蕩(4-12 Hz)在認(rèn)知過程中的作用。這一觀察結(jié)果導(dǎo)致幾個(gè)小組比較了在θ范圍(5或10 Hz)的STN DBS與在高伽瑪范圍(130 Hz)的更標(biāo)準(zhǔn)的方案的認(rèn)知效果。2006年的第一項(xiàng)研究報(bào)告稱，在12名PD患者中，與標(biāo)準(zhǔn)的130赫茲刺激相比，10赫茲的STN刺激顯著改善了語(yǔ)言流利性。與沒有刺激相比，也沒有明顯的改善趨勢(shì)。后來在15名受試者中進(jìn)行的一項(xiàng)研究表明，與沒有刺激和130 Hz DBS相比，5 Hz的STN-DBS通過顏色詞干擾顯著提高了言語(yǔ)處理速度和反應(yīng)抑制能力。最近，另外兩項(xiàng)研究重新審視了這些概念。一項(xiàng)在12名患者中進(jìn)行的臨床試驗(yàn)系統(tǒng)地評(píng)估了在130 Hz、10 Hz或無刺激的STN DBS期間，情景和非情景類別的言語(yǔ)流暢性、顏色詞干擾和隨機(jī)數(shù)生成。結(jié)果表明，當(dāng)θ-DBS被遞送時(shí)，情景性語(yǔ)言流利性任務(wù)有顯著改善。
圖3.認(rèn)知障礙和癡呆可能的神經(jīng)調(diào)節(jié)策略。a. 與認(rèn)知有關(guān)的邊緣和皮層結(jié)構(gòu)，特別是情景記憶。這些結(jié)構(gòu)是一個(gè)共同的大規(guī)模大腦網(wǎng)絡(luò)的一部分。b. 這些結(jié)構(gòu)之間的連接示意圖，包括海馬內(nèi)回路(紅色虛線框)，Papez的原始回路(開放箭頭)，以及它們之間的附加連接(填充箭頭)。NBM對(duì)新皮層區(qū)域提供廣泛的膽堿能神經(jīng)支配，因此作為認(rèn)知的神經(jīng)調(diào)節(jié)靶點(diǎn)而受到關(guān)注。穹窿一直是AD患者的主要慢性DBS靶點(diǎn)。
來源：
https://www.nature.com/articles/s42003-022-04390-w
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總結(jié)
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