脊髓损伤康复工程先驱V. Reggie Edgerton教授纪念综述：从神经调控到机器人训练的转化之路

《Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation》：In Memoriam: V. Reggie Edgerton

　　

维克多·R·埃杰顿于2026年3月25日去世，享年85岁。雷吉（同事们对他的称呼）通过其在神经生理学和康复工程领域的创新工作，彻底改变了康复治疗的面貌。尽管他接受的是运动科学家的训练，但他却是一位极具影响力的生理学家和康复工程师。他解析驱动运动的基础生理机制的工作塑造了该领域，并为他开发突破性治疗工具提供了跳板，这些工具至今仍在被研究和应用。在其硕果累累的职业生涯中，他帮助开创了一个将神经调控（neuromodulation）与机器人训练相结合的康复“新时代”[4]。雷吉最具影响力的贡献之一是他开发的、用于促进脊髓损伤后运动训练的系统。基于其基础生理学研究，雷吉认识到，简单地通过手动移动肢体来激活参与运动的体感感受器和肌肉，就能向脊髓网络传递细微且情境化的感觉信息，并有效地“再训练”它们，使其产生必要的信号传递给下游肌群[11,14]。雷吉喜欢说，脊髓类似于大脑，而非一根电缆，因为它既能进行复杂的感觉处理，也能进行运动学习[3]。他利用这些见解开发了能够以可控、可量化且易于修改的方式支持此类训练的装置。1998年，雷吉和他的团队正在用棉签手动训练脊髓横断大鼠迈步，这时他们热情地接受了一项使用机器人自动化训练的提议，这开启了他对机器人康复的毕生投入。其成果是“大鼠踏步器”（rat stepper），一种能在完全脊髓损伤动物身上促进节律性迈步模式的机器人装置[16]。这项工作及其最终支持的后续机器人发展和科学见解——包括“按需辅助”（assistance-as-needed）产生的变异性在运动训练中的重要性[2,21]——凸显了雷吉思维的转化特性。虽然机器人技术为基础科学家带来了福音，为他们提供了临床前啮齿类动物研究的新工具，但它也成为了为患者创造类似治疗工具的垫脚石。雷吉在其职业生涯中支持了多种人体步态训练机器人系统的开发[5,18,22]，最终发表了一篇关于使用外骨骼治疗慢性瘫痪患者的开创性案例研究[8]。与其他干预措施（同样是雷吉基础工作的产物）相结合，这种用于运动训练的外骨骼的使用帮助改善了患者的自主运动控制。这标志着该领域的一项重大突破，也是神经康复领域范式转变的一部分，而这在很大程度上归功于雷吉的不懈努力。虽然雷吉的基础研究侧重于利用训练促进脊髓网络的可塑性，但他后来的工作表明，直接刺激可以增强这一治疗目标。他早期的工程努力集中于硬膜外刺激（epidural stimulation），植入大鼠体内的电极使得测试特定刺激参数与针对性训练相结合如何影响迈步行为和负重成为可能[6,7,9,15]。这些临床前系统为向人体转化提供了重要的桥梁。在里程碑式的临床研究中，雷吉的团队将硬膜外刺激与任务特异性训练相结合，他们证明这能使脊髓损伤患者恢复部分下肢自主运动[1,12]。雷吉及其合作者还将此策略扩展到颈部网络，帮助证明了神经调控也能支持手部和上肢功能的恢复[13,17]。雷吉也敏锐地意识到植入系统存在可能阻碍其应用的局限性，这促使他也研究了经皮脊髓电刺激（transcutaneous spinal stimulation），作为一种更具可扩展性和侵入性更小的替代方案。他的工作表明，通过皮肤传递的刺激仍然可以调节脊髓兴奋性并支持运动恢复。他还致力于微调这些方法，发现多点而非单点传递的刺激能带来更一致和显著的改善[10,19,20]。因此，现代基于活动的康复，特别是那些将机器人辅助训练与神经调控相结合的项目，很大程度上应归功于雷吉的信念：治疗技术的发展必须建立在系统且严格验证的神经生理学原理之上，其中包括对脊髓是一个智能、可训练结构的基本观察。这种将生理学、工程学和临床护理整合起来的观点是雷吉科学生涯的标志。雷吉在生理学、工程学和康复领域留下了不可磨灭的印记。他表明，康复技术不仅限于辅助功能，还可以作为治疗工具来调动生理机制，实现真正且持久的恢复。通过这项工作，他重塑了神经康复领域，并且因为他的存在，这个领域变得更加雄心勃勃。它也变得更愿意构建尊重神经系统（尤其是脊髓）智慧的技术。那些继续开发运动训练系统、神经调控设备和基于活动的疗法的人们永远感激雷吉，是他的奠基性和开创性工作为这些新兴技术奠定了基础。我们将深切怀念他，并将永远感激他。

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创伤，常导致损伤平面以下的运动、感觉及自主神经功能障碍，严重影响患者生活质量。传统观念认为，脊髓仅是连接大脑与肢体的被动传导“电缆”，损伤后功能恢复极为有限。然而，V. Reggie Edgerton教授的研究挑战了这一认知，提出脊髓本身具备复杂的感官处理和运动学习能力，如同一个可被“再训练”的智能中枢。基于此，研究人员开展了一系列转化研究，旨在开发基于神经生理学原理的新型康复策略，以突破传统康复的局限。

研究目的与意义

本研究旨在系统回顾Edgerton教授的学术遗产，重点阐述其如何通过整合神经调控（neuromodulation）与机器人训练，开创了康复医学的“新时代”。研究的意义在于：第一，确立了脊髓作为可塑性学习器官的理论基础；第二，推动了从基础生理学到临床应用的无缝转化；第三，为开发针对脊髓损伤的有效治疗工具提供了科学框架。

关键技术方法

研究人员主要采用了以下几项核心技术方法：

1. 1.
   机器人化运动训练系统：研究人员开发了“大鼠踏步器”（rat stepper），这是一种用于完全脊髓横断大鼠的自动化节律性迈步训练装置。该系统基于“按需辅助”（assistance-as-needed）原则，通过引入运动变异性来促进脊髓运动学习。
2. 2.
   硬膜外脊髓电刺激（epidural spinal cord stimulation, EES）：通过在实验动物的硬膜外腔植入电极阵列，研究人员能够精确调控刺激参数（如频率、强度、部位），并将其与任务特异性训练相结合，以探究其对脊髓神经网络兴奋性的调节作用及对运动功能恢复的影响。
3. 3.
   经皮脊髓电刺激（transcutaneous spinal cord stimulation, TCS）：作为一种非侵入性替代方案，研究人员通过皮肤表面电极传递电流，证实该方法同样能有效调节脊髓兴奋性，并探索了多部位联合刺激相较于单点刺激的优势。
4. 4.
   人体外骨骼与步态训练系统：研究人员将上述动物研究成果转化为人体应用，开发并评估了用于慢性瘫痪患者的外骨骼步行训练系统，并结合神经调控技术，实现了患者自主运动控制的显著改善。

研究结果

工程化围绕运动的康复

研究人员通过基础生理学研究发现，通过手动或机械方式模拟行走时的本体感觉输入，可以向脊髓网络提供精细的情境化感觉信息，从而“再训练”脊髓自身产生驱动肌肉收缩的信号。基于此，研究人员于1998年开发了“大鼠踏步器”，实现了对完全脊髓损伤大鼠的自动化、模式化步态训练。这项工作进一步揭示了“按需辅助”产生的运动变异性对于促进脊髓运动学习至关重要。随后，研究人员成功将这些机器人技术转化为适用于人类的步态训练系统，并在慢性瘫痪患者中使用外骨骼进行训练，结合其他干预手段，最终使患者恢复了部分自主运动控制能力。这标志着神经康复领域的一次重大范式转变。

神经调控作为赋能技术

研究人员在基础研究中证实，直接的神经刺激可以增强训练的治疗效果。早期工作集中于硬膜外刺激，通过在啮齿类动物体内植入电极，系统测试了不同刺激参数与靶向训练相结合对迈步行为和负重能力的影响。这些临床前研究成功转化为人体临床试验：研究人员的团队将硬膜外刺激与任务特异性训练配对，证明该方案能够使慢性完全性脊髓损伤患者恢复部分下肢自主运动。此外，研究人员还将此策略应用于颈部脊髓网络，证明了神经调控同样有助于手部和上肢功能的恢复。鉴于植入式系统的局限性，研究人员还开创性地研究了经皮脊髓电刺激，证实这种无创方法同样能调节脊髓兴奋性并支持运动恢复，且多部位刺激效果优于单部位刺激。

总结与结论

现代基于活动的康复项目，特别是那些将机器人辅助训练与神经调控相结合的策略，在很大程度上源于Edgerton教授的坚定信念：治疗技术的发展必须建立在系统且严格验证的神经生理学原理之上，其核心是对脊髓作为智能、可训练结构的根本性认识。这种将生理学、工程学和临床护理融为一体的综合视角是其科学生涯的标志。

研究结论：Edgerton教授在生理学、工程学和康复领域留下了不可磨灭的印记。他证明了康复技术不仅限于提供辅助功能，更可以作为强大的治疗工具，通过调动内在的生理机制来实现真正且持久的神经功能恢复。他的工作重塑了整个神经康复领域，使其变得更具雄心，并激励着后来者构建更尊重神经系统（尤其是脊髓）固有智慧的技术。所有从事运动训练系统、神经调控设备及基于活动的疗法开发的研究人员，都永远受益于他为这些新兴技术奠定基础的奠基性和开创性工作。