对完全性颈髓损伤患者而言，脑中“想动”的信号可能仍然存在，但运动指令无法穿过损伤部位抵达手部，来自手部的触觉也难以返回大脑。Northwell Health、Feinstein医学研究所等团队在《Nature Medicine》发表了一项历时超3年的人体研究，将皮层内脑机接口、经皮脊髓刺激、神经肌肉电刺激、主动手部矫形器、感觉皮层微刺激与深度强化学习整合为“双重神经旁路”。在一名完全性四肢瘫痪患者中，系统不仅帮助其完成喝水、自主进食和精细抓握，还观察到部分运动与腕部触觉在设备关闭后仍存在。面对空心蛋壳时，强化学习将安全抓握成功率从27%提高至87%，展示了从“解码一个动作”迈向“闭环调节真实手功能”的可能路径。 Nature Medicine论文首页
1. 真正困难的，不是让机械臂动起来
脊髓损伤切断的并不只是一条运动通路。对于高位颈髓损伤患者，大脑可能仍能产生清晰的运动意图，但这些信号无法有效传递至手臂和手指；与此同时，来自皮肤和关节的感觉信息也难以回到大脑。结果是患者既无法主动控制自己的手，也无法依靠触觉判断“是否抓住”“抓得多紧”。
过去十余年，侵入式脑机接口（intracortical brain-computer interface，iBCI）已证明可以将运动皮层信号转化为屏幕光标、机械臂或外部装置的控制命令。皮层内微刺激（intracortical microstimulation，ICMS）也可以在感觉皮层中诱发人工触觉。然而，如果目标是恢复患者自己手部的日常功能，仍存在三道彼此耦合的障碍。
第一，辅助与恢复通常被分开处理。 脑机接口可以在设备开启时提供即时控制，但系统关闭后功能往往随之消失；康复性刺激则试图提高残余神经通路的兴奋性，却未必能跨越完全性损伤造成的严重运动和感觉缺失。
第二，能“发出抓握命令”不等于能安全抓住物体。 运动皮层信号最强的变化通常出现在动作开始和结束时，并不天然携带持续、稳定的抓力调节信息。直接把解码结果连接到手部装置，容易出现欠抓或过度挤压。
第三，真实手功能需要双向闭环。 没有触觉反馈，患者只能依赖视觉观察手和物体，既增加认知负担，也难以完成遮挡条件下的精细操作。更进一步，短暂诱发人工触觉与让自然触觉在刺激结束后恢复，是两个完全不同的工程和神经生理目标。
这项研究提出的“双重神经旁路”（double neural bypass，DNB）正是针对上述问题：一条旁路负责把大脑的运动意图送到手部，另一条旁路负责将抓力信息送回感觉皮层；同时，经皮脊髓刺激和模式化皮层刺激又被用于提高残余神经回路的可塑性，试图获得设备关闭后仍然存在的治疗收益。
2. 解构技术——从大脑到脊髓、手部再返回大脑的四级闭环
这不是一台单独的脑机接口设备，而是一套由多个子系统组成的混合型神经假体。按照信号在系统中的流动方向，可以拆解为四个层级。
第一级：经皮脊髓刺激——先唤醒仍可利用的近端通路
研究首先通过定制刺激器和可电子寻址的电极贴片，对颈段脊髓实施经皮脊髓刺激（transcutaneous spinal cord stimulation，tSCS）。团队使用3 Hz刺激逐行扫描电极贴片，并在100-225 mA范围内建立双侧上肢五块肌肉的募集图谱。
结果显示，靶向C5-C6脊神经根更容易募集近端及部分远端上肢肌肉；靶向C7-C8则对指浅屈肌和指伸肌等远端肌肉更具选择性。随后，团队在活动训练中使用最高300 mA、50 Hz的持续刺激：肘屈伸训练对应C5-C6，手部开合训练对应C7-C8。
在开始tSCS前，研究连续20周测量自主力量以建立稳定基线，尽量排除自然恢复。tSCS联合训练15周后，右侧和左侧肘屈曲力量相较基线分别提高61%和25%；约35周时，增幅进一步达到86%和62%。这些改善持续数月，使患者能够把双手抬到面部。
但边界同样清楚：tSCS单独使用并未改善手部和肱三头肌的自主控制，也没有恢复远端手腕和手指的触觉。这说明脊髓刺激可以放大残余下行输入，却无法独自解决最严重的手部瘫痪与感觉缺失。
第二级：皮层内解码——用10个稳定电极读出抓握意图
为了绕过受损脊髓通路，研究团队在左侧初级运动皮层（M1）植入两块10×10微电极阵列，在初级躯体感觉皮层（S1）植入三块稀疏布线阵列。M1侧共提供128个记录通道，S1侧共提供96个刺激通道。阵列为带溅射氧化铱膜（SIROF）尖端的NeuroPort微电极阵列，并通过经皮基座连接外部设备。
术前，团队利用3 T功能磁共振和Human Connectome Project皮层分区定位手部表征；术中再通过运动和清醒感觉皮层刺激校准植入位置。S1刺激能够在拇指、食指等部位诱发局部触觉，为后续闭环反馈提供通道。
神经信号以10 kHz采样，研究没有依赖容易随植入时间下降的单神经元尖峰，而是每100 ms计算一次100-5,000 Hz积分宽带功率。随后，团队用平均相关系数（mean correlation coefficient，MCC）筛选在不同试次和不同训练阶段中保持稳定调制的电极。
最终，128个M1记录电极中只有10个满足“MCC>0.45且在超过80%的训练数据块中保持稳定”的条件。长短期记忆网络（long short-term memory，LSTM）据此解码休息、张手、握手和伸手四种状态。模型锁定后不再重新训练，在此后超过5个月的实验中最高达到84.6%的分类准确率。
这个结果的工程价值不在于“通道越多越好”，而在于证明长期稳定的功能解码可能依赖少量、经过纵向筛选的可靠特征。对临床系统而言，减少频繁校准往往比单次实验中追求更高的通道利用率更重要。
第三级：分层控制——LSTM决定“要不要抓”，强化学习决定“抓多紧”
仅将LSTM输出连接到神经肌肉电刺激（neuromuscular electrical stimulation，NMES）后，患者可以用运动意图控制自己的手张开和闭合，并在S1刺激提供的感觉反馈下握住他人的手。但由于部分手部肌肉存在下运动神经元功能障碍，NMES不足以产生稳定、足够的日常抓力。
研究团队为患者定制了一款低外形主动矫形器（active orthosis，AO）。装置根据患者手部三维扫描结果制造，以伺服电机和人工肌腱带动食指、中指屈曲，内置5 N力传感器实时测量抓力。LSTM负责判断患者何时想要开始或结束抓握，深度强化学习代理则在动作执行过程中连续微调伺服角度，把抓力维持在安全范围。
强化学习代理并非直接在患者身上反复试错。团队先测量矫形器—手—物体系统的刚度和阻尼，在MATLAB Simulink中建立非线性模型，再离线训练双深度Q网络（dual deep Q network，DQN）。这种设计把高风险、耗时的探索过程移至仿真环境中，再将策略部署到人体闭环。
为验证精细抓力控制，研究选择了容易被压碎的空心蛋壳。开启强化学习时，安全抓握成功率达到87%；关闭强化学习时仅为27%。患者在视觉遮挡条件下使用S1微刺激判断蛋壳是否已被抓住，物体识别成功率达到100%，而无感觉刺激时接近机会水平。
第四级：皮层“镜像”——不只制造人工触觉，还尝试留下可塑性
为了获得设备关闭后仍可能存在的感觉改善，团队提出“皮层镜像”（cortical mirroring，CM）。其核心不是固定刺激某一个能够诱发手指触觉的电极，而是先记录患者观看触摸视频并想象手腕或手指被触摸时S1的空间活动模式，再选择调制最稳定的10-16个电极，以相似空间模式进行200 Hz高频刺激。
这些S1刺激与同部位120 Hz振动触觉刺激及颈髓tSCS配对，意在同时提高脊髓回路兴奋性、提供外周感觉输入，并重现与想象或真实触摸相关的皮层网络活动。每次实验都会根据最新记录更新刺激电极，而不是长期使用一套固定模式。
Note
传统人工触觉主要解决“设备开启时让患者感觉到什么”；皮层镜像试图解决的是“能否通过重复、模式化的脑—外周配对，让残余自然感觉通路在刺激停止后仍更容易被激活”。两者目标不同，后者的证据门槛也更高。
3. 实验与验证——三个层级的数据如何相互支撑？
研究注册于ClinicalTrials.gov（NCT03680872），在美国FDA研究性器械豁免IDE G170200下开展。唯一受试者为一名42岁男性，潜水事故后形成双侧C4感觉/C5运动、AIS A级完全性脊髓损伤。入组时距损伤13个月，日常生活活动需要完全协助，无法将手抬到面部、握持物体，也无法感知双手和远端前臂的触觉。
整项研究跨越超过3年，包含基线评估、tSCS训练、iBCI植入、锁定解码器、精细抓握以及皮层镜像等多个阶段。它不是传统意义上单一干预对单一终点的临床试验，而是一个围绕同一受试者逐层增加系统模块的长期可行性研究。
运动恢复：设备关闭后仍存在的近端收益
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• tSCS前连续20周建立自主力量基线。 -
• tSCS联合活动训练15周后，右、左肘屈曲力量分别增加61%和25%。 -
• 约35周时，增幅达到86%和62%，并转化为能够把双手举到面部的功能改善。 -
• 手部肌肉和肱三头肌未出现相同程度的自主恢复，提示疗效依赖残余通路和损伤位置。
辅助控制：稳定解码和真实日常活动
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• 128个M1记录电极中筛选10个长期稳定电极作为解码输入。 -
• 锁定式LSTM在超过5个月内无需重新训练，最高分类准确率84.6%。 -
• 患者可利用自己的运动意图驱动NMES或主动矫形器，完成张手、握手、伸手、喝水和自主进食。 -
• 强化学习将空心蛋壳安全抓握成功率由27%提高至87%（P=0.012）。 -
• 在视觉遮挡条件下，S1感觉反馈支持100%的物体存在判断；无反馈时接近随机水平。
感觉恢复：改善局限于腕部，而非整只手
39周tSCS单独干预并未改善远端触觉。加入皮层镜像、振动刺激和tSCS后，右侧桡侧腕部Semmes-Weinstein单丝感觉阈值显著下降，患者最低可正确感知并定位10 g有效作用力（基线与干预期比较P=0.0011）。
在“按压并保持”实验中，研究者对腕部、拇指垫、食指垫和食指掌侧随机施加约700 g压力。患者在11个实验日中对腕部刺激的平均识别准确率为81%。受到皮层镜像刺激的S1电极，其真实触摸后的调制深度增加显著高于未刺激电极（P=2.8×10^-8），且部分神经调制在停止刺激92分钟后仍继续增强。
不过，腕部改善不能被概括为“手部感觉全面恢复”。在所有实验阶段，患者仍无法感知双侧食指垫、食指掌侧和拇指垫的刺激。腕部感觉改善在停止干预后持续超过2个月，但部分感觉出现定位错误。这些结果更接近“残余感觉通路被增强”的证据，而非损伤下方完整感觉功能的重建。
新旧技术范式对比：
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4. 影响与未来——这项工作改变了什么？
第一，它把“辅助”与“治疗”放进了同一个系统架构。 LSTM、NMES和主动矫形器提供设备开启时的即时能力，tSCS和皮层镜像则尝试改变残余神经回路的兴奋性。患者既能依靠系统完成当下任务，也出现了部分不依赖系统实时运行的运动和感觉收益。
第二，它给出了更符合真实手功能的分层控制范式。 大脑只需要表达高层意图，低层抓力稳定交给强化学习完成。这与生物运动控制中“皮层规划—脊髓和局部回路快速调节”的层级结构相似，也降低了患者持续盯住抓力曲线的认知负担。
第三，它将长期稳定性问题前移到特征选择。 与其让模型使用所有电极并频繁重训，团队选择少量跨时间稳定的神经特征。对于未来家用脑机接口，自动化校准、抗漂移和失效降级机制可能比实验室中的峰值准确率更决定可用性。
第四，皮层镜像提出了一条不同于仿生感觉编码的路线。 仿生刺激通常追求更自然、可区分的即时感觉；皮层镜像则试图重建更大范围的皮层活动模式以促进可塑性。二者未来可能组合：一套刺激模式负责实时传递物体信息，另一套模式服务于长期康复训练。
从工程转化角度看，下一阶段最关键的并不是继续增加一个算法模块，而是完成系统收敛：
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• 扩大人群验证：纳入不同损伤节段、病程和残余功能的患者，建立可预测的受益者选择标准。 -
• 减少外部设备与人工操作：当前系统包含经皮连接基座、外部神经信号处理器、定制刺激器、力传感器和专业操作团队，距离自主居家使用仍有显著距离。 -
• 自动化个体标定：tSCS电极位置、刺激参数、M1稳定特征和S1镜像电极均高度个体化，需要更快速、可重复的自动寻优流程。 -
• 验证长期安全与可靠性：需要持续评估皮层阵列信号衰减、经皮基座感染风险、重复ICMS的组织安全性、刺激伪迹、硬件失效和长期维护负担。 -
• 转向功能终点：除了单次抓握成功率，应进一步使用标准化日常生活量表、护理依赖程度、家庭独立使用时长和患者报告结局评价真实临床获益。
结尾：冷静的审视
这篇论文最有价值的贡献，并不是某一个准确率或某一次蛋壳抓握，而是展示了一种完整的系统思路：脑机接口不必只做“损伤通路的替代线缆”，还可以与脊髓、外周刺激和康复训练结合，同时承担即时辅助与神经可塑性干预两种角色。患者能够用自己的运动意图控制自己的手，并通过感觉皮层反馈完成喝水、进食和脆弱物体抓握，这种功能意义远高于离线分类指标。
但顶级期刊并不自动等于高等级临床证据。本研究只有一名受试者，没有随机、盲法或平行对照；不同模块按阶段逐步加入，训练剂量、时间推移和干预效果难以完全分离。近端运动改善主要出现在仍保留一定自主控制的肌群，远端手指触觉没有恢复；腕部感觉结果的部分比较未进行多重比较校正。锁定解码器验证约5个月，感觉随访超过2个月，仍不足以回答多年植入安全性、信号稳定性和家庭维护问题。
强化学习实验同样是受控条件下的概念验证：目标是单一物体、单一抓力范围，尚未证明能够适应杯子、餐具、衣物等刚度、摩擦和形状不断变化的日常物体。系统目前也需要高度专业化团队操作，经皮神经接口和多套外部硬件限制了可扩展性。
Note
下一步最值得关注的，不是让这位患者再完成一个更炫目的演示，而是这套双重神经旁路能否在更多患者中，以更少的设备、更低的操作负担和可接受的长期风险，稳定转化为可重复的日常独立能力。
从更长远的视角看，这项研究正在推动脑机接口的评价标准发生变化：从“是否读懂了大脑信号”，转向“是否真正重建了一个可用、可感知、可长期维持的人体功能闭环”。这条路径比单纯提高解码准确率更难，却也更接近患者真正需要的答案。
参考资料
[1] Chandrasekaran, S., Wandelt, S.K., Jangam, A. et al. A neuroprosthesis for restoring hand movement and sensation in a person with complete tetraplegia. Nat. Med. 32, 2591-2601 (2026). https://doi.org/10.1038/s41591-026-04498-0
[2]ClinicalTrials.gov. NCT03680872. https://clinicaltrials.gov/study/NCT03680872
审核 | 医工学人理事会
