讓癱瘓患者重新站起來

2006年因車禍導致完全性脊髓損傷的羅布·薩默斯，在其體內(nèi)植入電極的幫助下，終于可以靠雙腳支撐起身體的重量，重新站立起來。圖為他在研究人員的指導下進行恢復性訓練。

因完全性脊髓損傷而致癱的羅布·薩默斯雙腳落地，兩腿伸直，臀部下蹲，這樣的動作他已經(jīng)做了成千上萬次。完全性脊髓損傷，其臨床表現(xiàn)為完全截癱，損傷部位以下感覺能力和運動動力完全喪失。薩默斯的目標是要學會重新站立起來……

2006年7月的一個晚上，薩默斯遭遇了他終生難忘的一個噩夢。他走出家門，來到停車的地方——美國俄勒岡州波特蘭市的一條街上。就在這時，他察覺到一輛車從后面飛速接近。一切發(fā)生得太快了，他還沒來得及反應，災難就瞬間降臨：躲避不及的他被車一下子撞飛，然后跌落在地上。司機逃離了現(xiàn)場，薩默斯則躺在瀝青地上的一汪血泊中，成為這場肇事逃逸事件的受害者。車禍導致薩默斯的大腦和脊髓之間的連接被切斷，胸部以下完全癱瘓。

時光如飛，轉(zhuǎn)眼過去了三年半，23歲的薩默斯開始練習重新站立起來。在實驗室里，他的身體通過電線與各種電極相連，在他身邊圍著一群醫(yī)生和研究人員。他是第一個參與這個實驗的患者，而實驗結(jié)果十分好，好得令人難以置信。

薩默斯即將重新站立起來，站在他身旁的加利福尼亞大學洛杉磯分校的神經(jīng)生物學家雷吉·埃杰頓平靜地等待著。正如埃杰頓所預料的那樣，研究人員在幾個星期前植入薩默斯背部下方的電極組已經(jīng)發(fā)揮作用，恢復了肌肉和發(fā)出運動指令神經(jīng)系統(tǒng)的連接，繼而激活了薩默斯的肢體。只需向他的下脊髓（而不是大腦）輸入微量電流，薩默斯的腿部肌肉就能夠恢復正常工作。

多年來，脊髓一直被認為只不過起著一種“電話線”的作用，將信息在大腦和身體各部分之間來回傳遞。普遍接受的看法是，只有大腦才能為運動提供指令，包括從有意識的“撿球”的動作，到下意識的“規(guī)避危險”的動作。因此，切斷了脊髓這根“電話線”，也就完全或部分地切斷了身體與大腦系統(tǒng)的聯(lián)系，意味著信息無法從大腦控制中心傳遞到身體其他部位，大腦與身體各部分無法進行“對話”，造成的結(jié)果就是身體癱瘓。

但是，在過去40年里，埃杰頓和他的同事通過幾十次實驗發(fā)現(xiàn)，脊髓幾乎與大腦一樣“聰明”：它可以自行檢測到感官信息，并發(fā)送控制身體行動的信號。在目睹薩默斯站立起來的那一刻，埃杰頓的想法終于被證實了。

1942年，兩歲的雷吉·埃杰頓不幸患上了小兒麻痹癥，今天人們將這種疾病稱為脊髓灰質(zhì)炎。這種病屬于脊髓或大腦里的病毒感染，病毒專門攻擊負責掌控運動的神經(jīng)元。1955年，美國開始廣泛推廣一種新的脊髓灰質(zhì)炎疫苗，讓數(shù)百萬兒童避免了感染脊髓灰質(zhì)炎的噩運。然而，對埃杰頓來說，這個好消息晚來了整整13年。雖然當年的小兒麻痹癥在今天的埃杰頓身體上只留下了不太明顯的后遺癥——他的左手臂發(fā)育得不太好，但這樣的經(jīng)歷對于埃杰頓一生的影響卻是巨大的——堅定了他要幫助癱瘓患者重新站起來的決心。

埃杰頓的這項研究開始于上世紀70年代中期，當時正進行肌肉鍛煉作用研究的埃杰頓得知，瑞典科學家正在研究下脊髓直接發(fā)出神經(jīng)信號控制行走和站立動作的課題，這項研究的先行者是哥德堡大學的神經(jīng)學家斯坦·格利納，他在貓身上進行實驗，貓是研究身體運動的標準試驗動物。

格利納的實驗方法是，先切斷貓的脊柱，令其癱瘓，然后給癱瘓的貓注射一種叫做左旋多巴的氨基酸，這種物質(zhì)常用于治療帕金森病，一種以運動障礙為特征的中樞神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病。

左旋多巴信號背后的確切機制目前仍不完全清楚，但有一點是明確無誤的：它可以讓脊髓重新恢復發(fā)送化學信號的能力，從而刺激貓癱瘓的腿，產(chǎn)生不是出于下意識的反應，而是復雜的有節(jié)奏的運動。格利納確定，注射左旋多巴之后，貓的下脊髓的中間神經(jīng)元細胞被重新激活了。

1976年，埃杰頓花了6個月時間與格利納一起在注射了左旋多巴的貓身上進行研究。他們將細小的玻璃電極植入貓的脊髓中，然后通過測量生物電活動，確定某些特殊中間神經(jīng)元的位置以及與癱瘓腿部肌肉活動之間的關系。

在另一組研究中，格利納切斷了出生后不久的小貓的脊髓。他發(fā)現(xiàn)，隨著時間的推移和不斷的訓練，在既未注射左旋多巴，也未加以電極刺激的情況下，小貓仍然能夠重新學會在跑步機上行走，重復訓練似乎能幫助小貓恢復運動能力。對此，埃杰頓的解釋是：如果傷害發(fā)生在出生后不久，恢復的機會就會大得多。顯然，初生的神經(jīng)系統(tǒng)擁有一些獨特的恢復能力。

埃杰頓由此想到：完全性脊髓損傷的成年患者，盡管恢復不易，但是否也可能通過訓練，讓他們的脊髓學會走路呢？回到自己的實驗室后，埃杰頓便全身心地投入了這一研究探索中。

1978年，埃杰頓在實驗室里開始對脊髓被切斷的成年貓進行一系列的實驗。他將癱瘓的貓的小小身體固定在跑步機上方，讓它們的后爪接觸到跑步機，讓它們練習跑步。在跑步機接通電源后，貓的后腿就開始小跑。埃杰頓認為，此時運動神經(jīng)元仍然在給雙腿發(fā)送行走的指令，這種指令來自于身體施加于爪子的重力，而不是來自于貓的大腦。

一些研究人員將這種結(jié)果歸之于條件反射，認為貓產(chǎn)生這樣的反應，與醫(yī)生敲擊患者的膝蓋時，膝蓋的無意識反射動作是一樣的。為了證明他們的觀點是錯誤的，埃杰頓給癱瘓的貓注射一種用于毒殺老鼠的馬錢子堿。馬錢子堿在醫(yī)學上用于中樞神經(jīng)系統(tǒng)興奮劑時，可阻滯一種抑制腦干和脊髓神經(jīng)功能的氨基酸，這種氨基酸叫甘氨酸。隨著甘氨酸的消失，貓的神經(jīng)活動開始活躍起來，注射半小時后，癱瘓了三個月的貓開始走動起來，就好像它們的脊髓完好無損一樣。他證明了，這根本不可能只是一種反射效應。

上世紀90年代初，埃杰頓和他的團隊決定嘗試一下，以了解這種訓練是否也能夠幫助受損的人類脊髓。他們的研究對象包括部分脊髓損傷患者和完全性脊髓損傷患者。實驗結(jié)果表明，在對部分脊髓損傷患者進行物理治療（包括常規(guī)性的輔助步行和在跑步機上引導進行的腿部練習）后，很多患者最終都能夠通過自主控制腿部肌肉而站立起來，甚至不用人扶也可以行走。研究人員推測，訓練重建了大腦與脊髓之間的聯(lián)系，喚醒甚至再生了患者受損的運動神經(jīng)回路的活力。

至于那些完全性脊髓癱瘓患者，埃杰頓知道，僅僅依靠物理治療恐怕還不行。他想，如果直接對患者脊髓進行電刺激，也許可以達到單純物理治療難以完成的效果。

為了測試這個想法的可行性，他和他的團隊開始了實驗。他們先切斷了紅眼白鼠的脊柱，再在后腿已經(jīng)軟綿綿地垂了下來的白鼠的脊髓往上的幾根椎骨上植入了幾根小電極。然后，他們將白鼠用專門的背帶固定在跑步機上方，通過與電極相連的線路和控制器系統(tǒng)輸入電流。

這個方法果然奏效。在提供適當頻率（通常為40赫茲）的電極，并經(jīng)過足夠的訓練后，雙腿癱瘓的老鼠可以各種速度做出向前、向后，以及側(cè)向的一系列動作，仿佛它們的脊柱根本沒有被切成兩半一樣。當然，一旦停止向電極供電，癱瘓老鼠在跑步機上的跑步運動就會停止。

在成功的鼓舞下，埃杰頓認為利用電極植入的方法幫助人類癱瘓患者的時機已經(jīng)成熟。當時他在克里斯托弗和達娜·里夫基金會理事會兼職。扮演超人的演員克里斯托弗 ·里夫1995年在參加一次馬術(shù)比賽時發(fā)生意外，脊椎嚴重受傷，導致全身癱瘓。這個以他的名字命名的基金會，旨在對癱瘓進行研究并為癱瘓患者提供援助。

2000年，里夫?qū)Π＝茴D正在進行的訓練脊柱重新學會走路的研究產(chǎn)生了極大的興趣，他專程前來參觀埃杰頓的實驗室。埃杰頓讓里夫觀看了利用跑步機訓練和電極刺激治療癱瘓老鼠、貓和人類患者的過程。

然后，埃杰頓問里夫：是否有興趣在跑步機上親身嘗試一下？里夫立即迷上了跑步機。跑步機上的固定裝置支撐著他的身體，旁邊有物理治療師在跑步機啟動起來時幫助他控制兩條腿的動作。能夠在跑步機上像正常人一樣保持直立姿勢，對里夫來說，“是一個激動人心的時刻”。

電極刺激在老鼠身上的效果讓里夫看到了未來的希望。在他參觀了埃杰頓的實驗室之后的幾年里，他的基金會給埃杰頓提供了400萬美元的研究資金，資助埃杰頓去追求一個偉大的目標：訓練人類完全性脊髓損傷患者，恢復他們站立及行走的能力。

里夫于2004年不幸去世，如果他能活到今天，親眼看到曾為埃杰頓的博士后學生的神經(jīng)學家蘇珊·哈克瑪取得的進展，一定會激動萬分——她運用埃杰頓的紅眼白鼠實驗的電極刺激方法，研究探索人類完全性脊髓損傷的恢復治療方法。

哈克瑪打算利用一種原用于抑制疼痛的設備直接向患者的脊髓輸送電力，該設備由16根幾厘米長的電極組成，通過手術(shù)植入患者背部脊髓周圍的保護膜層。正如埃杰頓的裝置可以激活老鼠的神經(jīng)系統(tǒng)一樣，哈克瑪?shù)目沙潆娍删幊痰脑O備可以給與脊髓連接的電極下達各種指令，包括作用于脊髓神經(jīng)元的電量、輸送頻率等。

一旦脊髓神經(jīng)元被激活，它們就會記住如何在神經(jīng)元之間以及肌肉之間進行溝通。隨著時間的推移和不斷的訓練，失去脊髓和大腦之間聯(lián)系的患者，就可利用遠程控制代替大腦下達指令。

在不幸受傷之后，薩默斯在內(nèi)心里仍然渴望能重新成為一名棒球手，他一直在努力尋找能夠通過強化訓練恢復脊髓功能的治療方法。2007年，他見到了哈克瑪。

電極刺激治療方法的人類測試對象是脊髓完全切斷，腰部以下部位完全失去活動能力的患者，他們需要接受長期和嚴格的身體訓練，才有希望復制老鼠實驗的效果。因此，受試者必須每天在跑步機上連續(xù)練習幾個小時，不但需要花大力氣，還需要毅力。一開始，哈克瑪和她的研究團隊對薩默斯只進行了運動訓練，沒有進行電刺激。正如所預想的那樣，這未能改善薩默斯的站立能力，脊髓損傷以下身體部位也未能獲得活動能力。

2009年年底，哈克瑪?shù)难芯繄F隊直接將電極組植入薩默斯的體內(nèi)，神經(jīng)刺激裝置和遙控裝置在薩默斯背部右下側(cè)處微微凸起，就像一小沓堆起的名片。

手術(shù)恢復幾個星期后，薩默斯來到了實驗室，等待他的是漫長的訓練過程。研究人員開啟神經(jīng)刺激器，并與傳感器相連接，薩默斯的身體被固定在跑步機上方并降到讓他的雙腳能觸碰到跑步機的位置。他的下半部感受到了身體的重量，他的雙腿開始動起來，就像埃杰頓早期的跑步機實驗中的老鼠那樣。訓練時，訓練員用自己的手幫助薩默斯固定身體，在他能夠在跑步機上站直時，慢慢將手放開，直到他能夠完全獨自站立。埃杰頓后來在回憶當時的情景時說：“每個人都被震驚了?！?/p>

薩默斯終于能夠站立起來了，他用自己的雙腿支撐起了身體1/3的重量。脊髓里的中間神經(jīng)元受到了電的刺激，指揮著他的運動神經(jīng)元和肌肉站立起來。慢慢地，薩默斯開始重新獲得了對自己身體的基本控制權(quán)。

當2009年第一次被固定在跑步機上訓練時，薩默斯只能堅持站立幾分鐘。他每天堅持1小時訓練，同時還經(jīng)常做有氧運動和舉重運動。幾個月后，他已經(jīng)可以在無人扶持的情況下站立幾分鐘。出乎研究人員意料的是，他還恢復了腰部以下的其他一些類型的活動：擺動腳趾，彎曲腳踝和膝蓋，以及臀部的扭曲。運動神經(jīng)元與他的下半身肌肉的交流越多，對動作的記憶也越牢固。電刺激本身強化了訓練效果。

車禍讓薩默斯失去了身體的大部分自由。通過電極植入和大量訓練，薩默斯如今已經(jīng)恢復了大部分功能。薩默斯看到了自己未來的希望：不但可以真正恢復行走，甚至有可能再次揮起他的球棒。他將繼續(xù)接受治療。

埃杰頓和哈克瑪?shù)膱F隊還在另外3名患者的體內(nèi)植入了電極。繼薩默斯之后，這些患者也已經(jīng)能夠站立起來，并獲得了對身體功能的控制能力。

目前，埃杰頓和哈克瑪正在研究開發(fā)更先進更復雜的神經(jīng)刺激器，以進一步提高癱瘓患者的行走能力。他們將和這一領域的其他科學家一起，為讓癱瘓患者重新站起來，提高這類患者的生活質(zhì)量，繼續(xù)付出不懈的努力。

動物實驗的啟發(fā)：恢復失去的連接

電極刺激激活神經(jīng)元：探索脊髓損傷的恢復途徑

神經(jīng)生物學家雷吉·埃杰頓正在實驗室里做實驗，尋找讓脊髓損傷患者恢復身體活動能力的途徑。

左圖：雷吉·埃杰頓和他的研究生一起，正在對脊柱被切斷的老鼠進行電極刺激實驗。

下圖：脊髓損傷的老鼠被用專門的背帶固定在跑步機上方。在適當電流刺激下，雙腿癱瘓的老鼠開始行走。

為恢復薩默斯癱瘓的下半身的活動能力，科學家和醫(yī)生通過手術(shù)將16根幾厘米長的一組電極植入他的脊髓周圍的保護膜層，電極通過電線與嵌在薩默斯后背的一個小小的矩形神經(jīng)刺激裝置相連接。

通過遙控，將電流從神經(jīng)刺激裝置發(fā)送到電極以及脊髓中的中間神經(jīng)元，下段脊髓的中間神經(jīng)元將經(jīng)處理后的信息通過運動神經(jīng)元發(fā)送到執(zhí)行特別任務的肌肉組織。通過電刺激，神經(jīng)元相互溝通，以及發(fā)送肌肉動作指令，產(chǎn)生肢體運動。電極組和遠程控制裝置事實上起到了大腦對身體發(fā)送信息指令的作用。

電極與脊髓神經(jīng)元的“對話”：薩默斯站起來了！

“超人”演員克里斯托弗·里夫因脊髓損傷引起高位截癱，他希望通過治療重新站起來。遺憾的是，他于2004年逝世。

藥物治療

脊髓受損后，附近的神經(jīng)元喪失了與生物電脈沖溝通的能力?？茖W家嘗試著給脊髓受傷的老鼠服用一種名叫LM11A-31的藥（一種預防老年癡呆癥患者神經(jīng)退化的藥）。結(jié)果表明，在完全性脊髓損傷發(fā)生幾小時內(nèi)服用，可有效減少保護神經(jīng)纖維的細胞的大量死亡，從而讓脊髓受傷的老鼠繼續(xù)保持行走能力和游泳能力。

這種藥可與一種通常在脊髓受傷后殺死保護性細胞的蛋白質(zhì)結(jié)合在一起，令這種蛋白質(zhì)失去作用，讓更多的神經(jīng)元保持完好無損的連接。

警告：該藥尚未經(jīng)過癱瘓患者的人體測試。另外，患者必須在受傷之后立即服用，否則無效。

科學家的目標：治愈癱瘓

電刺激治療給癱瘓患者重新站起來帶來了新的希望，但研究人員還在嘗試其他許多方法，希望能找到某種取代侵入性干預或持久機械支撐的純生物治療方法。以下是幾種已初見成效并有望成功的治療方案。

細胞移植術(shù)

在過去十年里，雪旺氏細胞移植技術(shù)已在針對癱瘓的老鼠、豬和靈長類動物的研究中取得了進展。這種技術(shù)是用雪旺氏細胞包裹在健康的神經(jīng)纖維周圍，起到隔離和保護的作用，就好像家庭用電線外面的絕緣保護層一樣。

還有一種保護性細胞也可提供修復方法：將完全性脊髓損傷的狗的鼻子處的嗅鞘細胞取出，移植到神經(jīng)組織被切的部位，結(jié)果狗的前后肢的運動能力和協(xié)調(diào)能力都得到了改善。

警告：目前為止，這種方法只能改善脊髓神經(jīng)細胞之間的溝通，但還沒有證據(jù)表明可以改善這些神經(jīng)元與大腦之間的溝通。

干細胞療法

為促使距離較遠的神經(jīng)細胞生長，研究人員正在嘗試干細胞療法。一項研究證明，將人類和老鼠的干細胞移植到癱瘓老鼠的脊髓，可在其損傷部位形成新的神經(jīng)細胞溝通能力。

一項臨床試驗首次提供證據(jù)表明，干細胞治療可以恢復完全性脊髓損傷患者的部分功能。在損傷部位植入腦源性干細胞12個月后，接受治療的3名患者中，有一人的脊柱最低部位已產(chǎn)生了感覺。研究人員不清楚干細胞是如何起作用的，但推測可能是進行了神經(jīng)修復。

警告：中樞神經(jīng)系統(tǒng)的干細胞移植目前仍處于試驗階段。