经皮脊髓刺激恢复脊髓损伤后手臂和手功能

2024-06-13 Thu
脊髓损伤（Spinal Cord Injury, SCI）导致的上肢瘫痪大大影响了患者的独立性和生活质量。在SCI的患者群体中，恢复手部和臂部动作的控制被认为是最高优先级的治疗目标，这个需求远超于恢复行走能力。然而，目前改善上肢功能的临床方法并未能达到恢复独立生活的效果。传统的运动疗法和功能性电刺激（Functional Electrical Stimulation, FES）、体感刺激（Somatosensory Stimulation）以及经颅磁刺激（Transcranial Magnetic Stimulation, TMS）等方法在提升运动功能方面的效果较为有限。
近年的研究表明，通过电刺激技术可以激活受损部位下方的脊髓回路，从而恢复主动运动功能。特别是通过植入电极的脊髓电刺激技术展示了对站立和步行的自愿控制有显著改善。然而，这种有创方法的实施复杂度和风险限制了它在上肢瘫痪患者中的应用。因此，科学家们开始探索一种非侵入性的方法——经皮脊髓电刺激（Transcutaneous Spinal Cord Stimulation, tSCS），以期在提升上肢功能方面取得突破。
研究及发表背景本文由Fatma Inanici、Lorie N. Brighton、Soshi Samejima、Christoph P. Hofstetter和Chet T. Moritz等研究人员共同撰写，研究机构包括华盛顿大学的电气与计算机工程系、康复医学系和神经外科系。文章发表于2021年IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering期刊。这项研究得到了神经技术中心和华盛顿州脊髓损伤联盟的部分资助，并注册于ClinicalTrials.gov（编号：NCT03184792）。
研究设计和方法1. 研究设计研究是一项前瞻性的、开放标签、交叉设计的试验。基线测量在干预开始前每周进行一次，为期四周。在干预阶段的第一个月，所有参与者仅接受密集的功能任务训练。第二个月将经皮电刺激与训练相结合。
两名运动完全损伤（American Spinal Injury Impairment Scale, AIS B）患者和一名AIS D型中央脊髓综合征患者在第二个月继续电刺激治疗，而其余三名不完全损伤（AIS C-D）患者在第二个月仅进行训练。整个研究过程中，重复了两臂交叉设计，目的是验证电刺激是否真正贡献了功能提升，并且使每位参与者充当自己的对照。
2. 参与者研究招募了六名慢性颈椎脊髓损伤的志愿者，平均年龄为42岁，受伤时间平均为4.6年。这些参与者在同意了所有试验的程序后，进行了包括视频记录和图像拍摄在内的测试。
3. 强化功能任务训练上肢训练每周进行三次，每次两个小时，采用包括单手和双手任务、指尖动作、抓握和夹持等在内的活动，活动难度根据参与者的情况逐步增加。
4. 经皮脊髓电刺激实验用的经皮电刺激设备由NeuroRecovery Technologies Inc.（现Onward Medical BV）开发，刺激方式采用的是两个独立频道，刺激部位包括颈椎区的两个位置和骨盆区域。刺激频率为每秒30次基频，叠加每秒10千赫兹的电流，以确保高强度刺激能够穿透皮肤而不会引起不适。
5. 结果测量主要结果测量指标为手的力量、感知和抓握能力的分级重新定义评估（Graded Redefined Assessment of Strength Sensibility and Prehension, GRASSP）。次要指标包括国际脊髓损伤神经分类标准（International Standards for Neurological Classification of Spinal Cord Injury, ISNCSCI）考试、侧方夹力测量和痉挛的临床评估。
6. 数据分析实验数据通过单向重复测量方差分析（ANOVA）以及Turkey LSD测试进行分析，功能性变化数据通过配对样本t检验验证。
研究结果研究展示了经皮颈椎脊髓电刺激结合强化训练可以在有完整和不完整颈椎脊髓损伤的患者中显著恢复上肢功能，这一恢复可以维持几个月时间。结果表明，所有参与者在使用电刺激治疗后，功能提升幅度远超过仅靠训练得到的效果。
1. 完全瘫痪患者的改善第一位完全瘫痪患者在加入研究时手指和拇指完全不能动，仅在接受4周的强化训练后也没有恢复。然而，通过4周的电刺激和训练结合后，他首次开始有活动，并可以生成测量到的夹持力。这一功能提升在停止治疗后的六个月内得以维持。
第二位完全瘫痪患者也展示了类似的改善，通过电刺激和训练，他的手部夹持力大幅提升，并在治疗后维持了三个月。
2. 部分瘫痪患者的改善其余四位参与者在加入研究时已经有部分手指和拇指的活动能力。一位受伤超过12年的患者在接受电刺激的第一天即恢复了抓握能力，这种改善在刺激和训练结束后的六个月内得以维持。所有参与者的力量和抓握能力在电刺激配合训练期间显著提升，达到了显著的统计学意义水平（p < 0.025）。
3. 其他功能的改善除了运动功能的恢复，经皮脊髓电刺激对自主神经功能也有显著改善。例如，一位患者在受伤后12年内心率一直偏低（40-45次/分钟），在刺激期间逐渐恢复到正常水平（60-65次/分钟）并维持到随访期。其他参与者报告了体温调节和膀胱功能的改善。
4. 强调功能恢复的长期维持本研究中，所有功能性提升均在末次干预后的三到六个月内得以维持，表明该治疗方法促进了损伤的中枢神经系统的神经可塑性（neuroplasticity）。刺激技术与密集训练的结合可能通过以下机制实现即时和长期恢复：经皮刺激通过背根感受器通路激活脊髓网络，为脊髓以下的神经元提供阈下的激励，使残存但休眠的下行路径更容易被激活，从而恢复主动运动的控制能力。
讨论与展望本研究的发现展示了经皮脊髓电刺激结合强化训练对恢复上肢瘫痪患者功能的显著效用，该方法非侵入性且具备较高的临床转化潜力。然而，研究也存在一些局限性，包括难以实现盲法和假刺激控制，参与者基线功能多样化带来的结果变异性。未来需要更多的大样本研究以及评估者盲法测试以更加严谨地评价经皮脊髓电刺激的效果。
这项研究为探索治疗脊髓损伤的新方法提供了重要依据，并为未来在临床实践中应用经皮脊髓电刺激治疗方法指明了方向。