《Med》：Restoring locomotion in motor-complete spinal cord injury via trunk-mediated control using a commercial epidural spinal cord stimulator
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背景与意义
运动完全性脊髓损伤患者通常无法自主控制下肢，而刺激辅助行走通常依赖外部编程的刺激序列。本研究表明，残留的躯干运动可用于调节硬脊膜外脊髓刺激（epidural spinal cord stimulation, eSCS）的效应，并直接控制下肢运动。通
背景与意义
运动完全性脊髓损伤患者通常无法自主控制下肢，而刺激辅助行走通常依赖外部编程的刺激序列。本研究表明，残留的躯干运动可用于调节硬脊膜外脊髓刺激（epidural spinal cord stimulation, eSCS）的效应，并直接控制下肢运动。通过躯干后伸，参与者将刺激诱导的活动从承重伸肌状态切换至下肢三联屈曲状态，从而使其能够借助助行器启动和调节迈步。这种躯干介导控制（trunk-mediated control, TMC）策略实现了功能性行走，并伴随临床活动能力和独立性评分的改善。这些发现提出了一种残留躯体运动与脊髓刺激之间的可靠接口，可能减少对外部控制器的依赖，并促进严重脊髓损伤后更为自主的运动功能恢复。
要点
•躯干屈伸可调节脊髓刺激效应
•躯干后伸将刺激从伸肌模式切换至三联屈曲模式
•躯干介导控制可在运动完全性脊髓损伤后实现行走
•躯干控制的行走功能与临床评分改善相关
摘要
背景
脊髓刺激正成为恢复脊髓损伤患者运动功能的新兴方法。近期进展表明，利用包括脑机接口在内的精密新系统，可实现完全性运动损伤患者运动功能的恢复。尽管潜力巨大，但该方法受限于其固有复杂性和缺乏临床使用批准。
方法
本研究测试了一种新策略，利用自主躯干运动调节商用硬脊膜外脊髓刺激器产生的运动输出，以恢复运动完全性脊髓损伤患者的行走功能。
结果
四名胸段AIS A–B级损伤参与者在无外部接口或脑解码的情况下，获得了对刺激驱动运动的随意调节能力，并在四个月的康复训练后实现站立和行走。该方法将被动刺激转化为自主动动的运动，实现了功能性活动能力。
结论
这种简单且具有潜在可扩展性的方法成功利用了临床可及的脊髓刺激器，即使在病变水平以下无法产生自主收缩的患者中也能实现行走，推进了运动完全性脊髓损伤的可及性神经调控治疗。
资金
本研究由Università Vita-Salute San Raffaele、Boston Scientific Spa、Fondazione Cariplo、Bertarelli Foundation、#NEXTGENERATIONEU (NGEU)及意大利大学与科研部（MUR）资助。
论文解读：基于商用硬脊膜外脊髓刺激器与躯干介导控制恢复运动完全性脊髓损伤患者的行走功能
一、研究背景与问题
脊髓损伤（spinal cord injury, SCI）是一种严重的中枢神经系统损伤，可导致损伤节段以下运动、感觉及自主神经功能的永久性丧失。其中，运动完全性SCI患者（美国脊髓损伤协会损伤量表（American Spinal Injury Association Impairment Scale, AIS）A–B级）因病变以下不存在有效的随意运动输出，其功能恢复一直是神经康复领域的重大挑战。近年来，硬脊膜外脊髓刺激（epidural spinal cord stimulation, eSCS）作为一种新兴的神经调控手段，在SCI后运动功能恢复中展现出巨大潜力。然而，现有研究路径存在明显局限：其一，部分实现行走恢复的研究依赖于患者存在残留的自主肌肉激活（即"不完全完全性损伤"（discomplete）现象），而相当一部分运动完全性SCI患者并不具备这一神经生理学基础；其二，通过脑机接口（brain-machine interface, BMI）或时空调制刺激模式实现行走的技术方案，需要侵入性脑手术、复杂的解码算法及专门的设备研发与审批流程，严重制约了其临床可及性和规模化推广。因此，如何在避免技术复杂性的前提下，利用临床已获批的商业化脊髓刺激系统，为缺乏任何残留皮质脊髓连接证据的运动完全性SCI患者提供自主行走能力，是该领域亟待解决的核心问题。
二、研究内容与主要结论
针对上述问题，研究人员开展了一项临床可行性研究（临床试验注册号NCT05926843），共纳入四名连续招募的慢性创伤性SCI参与者（P05、P06、P07、P08），其神经损伤平面分别为T7、T4、T7和T6，均被分类为功能性的运动完全性损伤（AIS A或B级），且所有下肢肌肉的医学研究委员会（Medical Research Council, MRC）肌力评级均为0级，即不存在可见的随意肌肉收缩。所有参与者均接受了由32触点外科电极（CoverEdge X32 Surgical Lead）连接至植入式脉冲发生器（Spectra WaveWriter implantable pulse generator, Boston Scientific）的eSCS植入手术，电极片定位于T11至L1节段，并在术后接受了为期4个月的住院康复训练。
研究人员提出并验证了一种名为"躯干介导控制"（trunk-mediated control, TMC）的新策略：参与者通过自主躯干后伸运动，改变刺激电极与靶向神经结构之间的几何关系，从而调制eSCS的效应强度，实现下肢自伸肌模式（承重）向屈肌模式（迈步）的可控切换。研究首先证实，在固定电极配置下，提高刺激强度参数（幅值、脉宽或频率）可诱导运动反应从膝关节伸展转变为下肢三联屈曲（即髋关节屈曲、膝关节屈曲与踝关节背屈的协同动作），伴随股直肌等屈肌肌群的募集增强和股外侧肌等伸肌肌群的募集减弱。在此基础上，研究人员发现躯干小幅后伸运动（平均约9°）可触发同样的伸肌-屈肌转换，且躯干运动峰值系统性先于髋关节屈曲峰值（站立位下平均延迟约0.38秒）。这一现象在坐位和站立位下均得到验证，并具可重复性。
为将TMC转化为行走功能，除P06可双侧独立控制外，其余参与者采用了混合策略：TMC侧通过躯干运动控制摆动相，对侧则通过周期性对侧刺激（contralateral cyclic stimulation, CCS）诱发交替迈步。经过约4个月的训练，四名参与者均实现了无需手动辅助或体重支撑的助行器辅助独立行走，10米步行测试平均耗时161±25秒，6分钟步行测试平均距离17±4米；P08更实现了连续42分钟、超过132米的行走距离。临床评分方面，所有参与者的WISCI II评分从0分（无法站立或行走）提升至9分（借助助行器和矫形器行走10米），P05、P07和P08的下肢功能量表（LEFS）改善超过最小临床重要差异（minimal clinically important difference, MCID）9分，P05和P07的脊髓独立性测量（SCIM）改善超过MCID 4分。研究期间，所有参与者均未出现与刺激相关的自主神经功能障碍不良事件。
值得注意的是，在整个研究过程中，参与者始终未恢复任何下肢随意肌肉收缩能力（所有下肢肌肉MRC评分维持0级），所有下肢运动均由定制的eSCS程序产生。这表明所观察到的功能恢复并非源于神经可塑性驱动的自主运动通路重建，而是完全依赖于刺激驱动下的运动输出与TMC策略的有效整合。
该研究发表在《Med》期刊上，其重要意义在于：首次证明了利用临床已获批的商用脊髓刺激系统，通过简单的躯干运动调制策略，即可使完全没有残留皮质脊髓连接证据的运动完全性SCI患者实现独立站立和行走，无需脑机接口、自适应刺激算法或连续运动学传感等复杂技术，为eSCS的临床可及性和规模化推广提供了新的路径。
三、关键技术方法
该研究采用的主要技术方法包括：（1）eSCS系统植入与参数映射：在全身麻醉下进行腰椎椎板切除术后，将32触点外科电极片植入硬脊膜外间隙（T11–L1），通过术中神经电生理监测优化电极位置，并针对每位参与者单独映射诱发膝关节伸展和下肢三联屈曲的最佳电极配置与刺激参数；（2）表面肌电（surface electromyography, sEMG）记录与分析：以2000 Hz采样率记录双侧下肢主要肌群的肌电活动，通过去除刺激伪迹后提取复合肌肉动作电位（compound muscle action potential, CMAP）的峰-峰幅值，作为肌肉募集程度的量化指标；（3）惯性运动学测量：使用7个惯性测量单元（inertial measurement unit, IMU）传感器（MTw Awinda, Xsens）以100 Hz采样率采集躯干、股骨、胫骨和足部的运动学数据，用于计算躯干与下肢关节角度变化；（4）测力与测压装置：采用手持式测力计（NOD, OT Bioelettronica）评估刺激诱发的膝关节伸展力与髋关节屈曲力，使用稳定平台（Khymeia）记录站立时的下肢承重比例；（5）临床与统计评估：通过线性混合效应模型、Wilcoxon符号秩检验、Mann-Whitney U检验和高斯混合聚类等方法进行统计分析，并采用WISCI II、LEFS、SCIM等临床量表评估功能结局。
四、研究结果详解
（一）脊髓刺激可产生下肢伸展和屈曲运动
通过单侧递增强度刺激，所有参与者均诱发了持续性的膝关节伸展，膝关节伸展活动范围平均为63°±6°，伸展力平均为53±25 N。在eSCS开启状态下，参与者可实现长时间站立，末次评估中站立耐力分别为P05 41分钟、P06 13分钟、P07 60分钟、P08 46分钟，显著长于刺激关闭状态（固定效应=27分钟，95%置信区间[19,35]分钟，p<0.001）；刺激开启时下肢承重比例为73%±14%，显著高于关闭状态的18%±3%（固定效应=54%，p<0.001）。较高频率刺激可诱发下肢三联屈曲，包括髋关节屈曲（94°±23°）、膝关节屈曲（136°±21°）和踝关节背屈（44°±28°），髋关节屈曲力为114±33 N。
（二）刺激强度增加可改变eSCS诱导的运动模式
在固定电极配置下，单独提高刺激幅值、脉宽或频率，均可将运动反应从膝关节伸展转换为下肢三联屈曲。该转换伴随屈肌肌群（股直肌、股二头肌、胫骨前肌）募集的增强和伸肌肌群（股外侧肌）募集的减弱。通过反复交替低强度和高强度刺激，两种募集模式形成清晰可分的聚类，证实刺激强度依赖的伸肌-屈肌反应切换具有高度可重复性（股直肌变化padj<0.001；股外侧肌变化在P07中padj=0.2，其余padj<0.001）。
（三）躯干介导的伸肌-屈肌募集模式切换可实现行走
在坐位和站立位下，参与者通过主动躯干后伸运动（平均9°±4°）可触发下肢从伸展到三联屈曲的转换，髋关节屈曲活动范围在坐位下为28°±8°，站立位下为37°±8°，且躯干运动峰值系统性先于髋关节屈曲峰值（站立位下混合效应模型截距=0.38秒，95%CI[0.29, 0.46]秒，p<0.001），同时伴随股直肌诱发电位幅值的显著增加。P06还识别出可选择性地诱发左侧或右侧三联屈曲的不同躯干运动模式。结合对侧周期性刺激（CCS），所有参与者均实现了助行器辅助的独立行走，髋关节屈曲范围第一四分位数在所有耐力测试中均高于20°，九个耐力测试中七个的中位数超过30°，证实TMC与CCS的交替驱动可产生有效的迈步动作。
（四）躯干介导控制具有可靠性和可控性
在可视化提示任务中，除P06需选择性控制双侧外，所有参与者均能在每次提示后产生可见的髋关节屈曲运动，提示至髋屈曲峰值的平均延迟为1.8±0.8秒。在虚拟现实任务中，P08通过不同幅度的躯干后伸运动产生了两种幅度明显分离的髋关节屈曲响应，高斯过程聚类分析得出同质性评分为1，证明TMC可实现分级控制。在习惯化评估中，室内耐力行走的前50步内，TMC侧和CCS侧髋关节活动范围的最后10步与最初10步中位数比值始终高于0.79，表明在约5–6秒步态周期下仅出现轻度习惯化，不影响长达40分钟的持续行走。
（五）纵向功能结局
研究结束时，所有参与者均能在eSCS开启状态下独立站立和行走。P05、P07和P08实现了单手支撑站立，可执行脱去外套等需要双手协调的日常活动；P07和P08还能在站立状态下完成精细操作任务（如玩"层层叠"游戏）。行走功能方面，所有参与者均完成了10米步行测试和6分钟步行测试，P06、P07和P08的耐力测试均超过10分钟且无需停顿，P08在42分钟内行走超过132米；参与者还可在斜坡、转弯及室外不平整路面上行走。临床量表方面，WISCI II评分由0分提升至9分，LEFS和SCIM的改善分别有3名和2名参与者超过MCID阈值。安全性监测中未发现低血压或交感神经过度激活等刺激相关不良反应。
五、讨论与结论
讨论部分指出，TMC策略的生理基础可能涉及刺激参数变化诱发的伸肌-屈肌反应转换，而躯干姿势改变可有效改变刺激电极与靶向神经结构的几何关系，从而提高有效刺激强度。三联屈曲反应的特征提示其可能源于类似缩回反射（withdrawal reflex）的脊髓回路募集，该反射由Sherrington于1910年首次描述，其高阈值特性和多肌群协同激活模式与观察结果一致。与经典功能性电刺激（functional electrical stimulation, FES）中常见的快速肌肉疲劳和屈曲习惯化不同，本研究中eSCS诱发的伸展可在接近或超过1小时的站立中维持而不出现功能性疲劳，三联屈曲在5–6秒步态周期下仅表现出轻度习惯化，这得益于脊髓刺激对肌群的协同募集模式和较长的刺激间歇期。
研究局限性包括样本量小（仅4例）、训练周期相对较短、eSCS与训练效应无法分离、步态运动学不完全符合生理模式等。未来研究需采用更精确的运动捕捉技术（如立体摄影测量）评估步态质量，并进一步探究双侧TMC控制的可行性及个体差异的神经解剖学基础。
研究结论为：运动完全性SCI患者可利用小的、有意识的躯干运动来调节eSCS效应，实现从支持直立姿势和承重的伸肌主导配置向适合肢体推进的协调三联屈曲模式的转换。经过训练，参与者能够利用TMC引出具有可预测时序的可重复分级屈曲反应；与对侧周期性刺激结合时，该策略尽管缺乏无刺激状态下的可见自主下肢收缩，仍可实现助行器辅助的地面行走。该策略的意义在于：它利用临床可及的商用eSCS系统即可实现患者自主动动的行走功能恢复，无需连续运动学感知、自适应刺激算法或侵入性颅外信号解码，为运动完全性SCI患者提供了一种简单且具有临床可及性的神经调控新路径。
