近年来，脊髓电刺激技术（例如在截瘫后）取得了巨大进展。然而，一项由弗里德里希-亚历山大-埃尔兰根-纽伦堡大学（FAU）参与的国际研究团队进行的研究表明，目前许多应用中使用的高频刺激脉冲，似乎不太能有效激活那些可能对治疗效果起关键作用的神经纤维。研究人员通过人体电生理学研究以及高精度人体计算机模型，能够清晰展示刺激激活了哪些神经结构。这些发表在《自然-生物医学工程》杂志上的结果，将有助于改进医疗技术应用。
脊髓损伤通常是不可逆转的。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。在这方面，侵入性脊髓刺激取得了突破。"最初，我们使用非常靠近神经根的刺激器来特异性激活神经元群，"FAU数字健康教授Andreas Rowald博士解释道，"这种方法不仅是一种侵入性医疗干预，而且伴随着巨大的技术复杂性。"
因此，近年来出现了一种有前景的替代方法：通过放置在脊髓上方皮肤上的电极进行刺激。临床研究表明，即使采用这种非侵入性方法，截瘫患者也能部分恢复运动功能。"从这些工作中，欧洲和美国已经出现了第一批临床医疗产品，"Rowald解释说，"但我们发现，关于这些产品为何有效以及如何有针对性地应用的知识却相当缺乏。"
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，对28名健康受试者进行了测试，观察非侵入性电刺激会引发哪些神经和肌肉激活。"除了对四肢进行各种外周神经刺激外，实验特别集中在颈椎和腰椎区域，"Andreas Rowald说，"这些是脊髓损伤的典型重点区域。"
临床激活模式与高精度计算机模拟进行了对比。FAU的医学信息学、生物统计学和流行病学研究所以及人工智能在生物医学工程部门(AIBE)在这一领域拥有世界独一无二的专业知识。"我们在过去几年中逐步创建了人体的数字孪生，整合了所有可用的生物物理过程数据，"Rowald解释道，"这些模型让我们得以一窥在人体中无法直接通过实验观察的过程。"建模范围从宏观的电流通过人体到神经元膜上单个离子通道的微观调节。因此，研究人员能够精确预测神经如何对不同刺激参数的电刺激做出反应，以及电极应放置在何处，才能使电流在神经系统中引发特定反应。
应用往往缺乏持久性
研究结果表明，现有的非侵入性电刺激方法存在概念上的缺陷。研究人员特别对高频超短波脉冲的普遍使用持批评态度。"治疗成功的关键在于刺激了神经系统的哪个反应路径，"Rowald说，"我们区分运动刺激和感觉刺激——前者从中枢神经系统到肌肉，后者从肌肉到中枢神经系统。"众所周知，尤其是感觉刺激能够取得持久的学习效果。然而，使用短波脉冲对这一路径的激活不如使用较长波形有效。Rowald表示："可能使用高频脉冲是因为它们通常引起的疼痛较少。然而，要实现有效的刺激，需要比长脉冲高得多的电流，因此这种表面上的优势可能实际上被抵消了。"
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的做法。"这种方法很有前景，背后的理念很好，"Andreas Rowald说，"但关键在于，不仅要触发肌肉反应，还要充分发挥在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。"Rowald补充说，对电刺激作用机制的基本理解不仅在脊髓损伤治疗中很有价值，例如在多发性硬化症或大脑神经系统疾病的治疗中也同样重要。
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