一项国际研究表明，常规的脊髓刺激常常无法激活关键的神经通路。研究人员利用临床数据和数字孪生技术，识别出更有效的方案，这些方案有望用于治疗截瘫和其他神经系统疾病。
在截瘫等情况下，通过电刺激激活脊髓神经在过去几年中取得了显著进展。然而，当前的应用显示一个问题：高频刺激脉冲似乎不能有效激活对治疗成功至关重要的神经纤维。这一结论来自一个由埃尔兰根-纽伦堡弗里德里希-亚历山大大学（FAU）参与的国际团队进行的研究。通过人体电生理研究以及人体高精度计算机模型，研究人员能够显示哪些神经结构被刺激激活。
脊髓损伤通常是不可逆的。然而，慢性瘫痪患者可以通过强化训练和医疗技术支持重新学习运动功能。侵入式脊髓刺激取得了突破。"最初，我们使用非常接近神经根的刺激器来有针对性地激活神经元群体，"FAU数字健康教授Andreas Rowald博士解释道，"这种程序不仅是一种侵入性医疗干预，而且还需要巨大的技术投入。"
因此，近年来出现了一种有希望的替代方法：将电极放置在脊髓上方的皮肤上进行刺激。临床研究表明，截瘫患者也可以通过这种非侵入性方法部分恢复运动功能。Rowald解释说："这些工作已经在欧洲和美国产生了首批临床医疗器械。然而，我们发现，关于这些产品为何有效以及如何有针对性地应用它们，缺乏扎实的知识基础。"
数字孪生补充临床研究
为了填补这一知识空白，FAU、维也纳医科大学和美国圣路易斯华盛顿大学的一个研究团队进行了一项研究，将人体研究与人体计算机模拟相结合。在基于证据的研究部分，研究人员在28名健康受试者身上测试了非侵入性电刺激引发的神经和肌肉激活情况。Rowald说："除了四肢的各种周围神经刺激外，实验特别集中在颈椎和腰椎区域，这是脊髓损伤的典型重点部位。"所有结果都发表在《自然生物医学工程》期刊上。
临床激活模式与高精度计算机模拟进行了比对。Rowald解释说："在过去的几年中，我们逐步创建了人体的数字孪生，其中融入了所有可用的生物物理过程数据。这些模型使我们能够洞察在人体中无法直接观察到的过程。"建模范围从通过身体的宏观电流流动到神经膜上单个离子通道的微观调制。因此，研究人员可以精确预测神经如何对不同刺激参数的电刺激做出反应，以及电极应放置在哪里才能使电流在神经系统中引发有针对性的反应。
短波脉冲对感觉运动刺激效果较差
研究结果表明，现有的非侵入性电刺激方法存在概念上的弱点。研究人员特别对高频、超短波脉冲的普遍使用持批评态度。Rowald说："治疗成功的关键在于神经系统被激活的反应路径。我们区分了运动刺激和感觉运动刺激——前者从中枢神经系统传递到肌肉，后者从肌肉传递到中枢神经系统。"众所周知，特别是感觉运动刺激能取得持久的学习效果。然而，正是这条路径，短波脉冲的激活效果不如长波形式。Rowald表示："高频脉冲可能被使用是因为它们通常引起较少的疼痛。然而，要实现有效的刺激，需要比长脉冲高得多的电流，因此所谓的优点可能被抵消。"
研究人员主张从根本上重新考虑在非侵入性电刺激中使用高频脉冲。Rowald说："这种方法很有希望，背后的理念很好。但关键不在于简单地引发肌肉反应，而是要充分利用瘫痪后恢复运动功能的潜力——尤其是因为产品开发和医疗治疗既复杂又昂贵。"他补充说，对电刺激作用机制的基本理解不仅对脊髓损伤有价值，例如在多发性硬化症或大脑神经系统疾病的治疗中也很有价值。
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