當克里斯托弗·裡夫癱瘓時，脊髓損傷患者幾乎沒有希望。現在，研究人員正在結合他們對中樞神經系統重塑和再生能力的瞭解，以及對脊髓隱藏的智慧的新理解，以顯著改進治療方法。
即使是最嚴重的脊髓損傷通常也不會完全切斷大腦、脊柱和身體其他部位之間的聯絡。科學家們現在正在尋找方法，利用各種技術來充分利用剩餘的連線。關於電刺激和運動訓練（一種在步行鍛鍊期間依賴人類或機器人輔助的治療方法）的研究表明，有可能重新生長大腦和脊髓中受損的神經迴路，並恢復一些自主控制能力。一些研究發現，可以誘導脊髓本身的迴路來幫助身體再次移動。
當我們走路時，脊髓會處理兩個資訊來源。一個來自上方：大腦根據我們所看到的內容，發出關於我們想去哪裡的指令。另一個來自下方：來自肌肉、肌腱和皮膚的感官資訊。脊髓損傷後，大腦和脊髓之間的通訊線路會被切斷或顯著減少，具體取決於事件的嚴重程度。如果沒有大腦的指令，醫生和研究人員認為不可能重新獲得對肢體的任何控制。但與固定的機械迴路不同，大腦和脊髓是可塑的。神經科學中的公理是“一起放電的神經元連線在一起”，這意味著神經元之間的連線會根據活動而生長或萎縮。
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一種很有希望的方法是幫助癱瘓患者在“輔助”技術的支援下完成行走動作，這些技術可以支撐他們的體重。透過放大關節移動時以及腳底從一隻腳到另一隻腳有節奏地切換壓力時產生的感官訊號，研究人員認為他們可以彌補大腦訊號不足的缺陷。臨床醫生使用諸如 Lokomat 之類的裝置，該裝置用安全帶支撐患者的體重，並透過機器人腿部支架在跑步機上移動他的腿。肯塔基州脊髓損傷研究中心主任蘇珊·哈克瑪指出，當在跑步機上進行負重時，新生兒會表現出正確的步態模式，即使他們無法自行開始行走。這表明一些運動“程式”直接儲存在脊髓中，並且可以透過感覺輸入來觸發。根據蘇黎世大學的榮譽退休教授、繼續在蘇黎世 Balgrist 大學醫院進行研究的神經學家沃爾克·迪茨的說法，科學家們已經將肌肉中獲得步態模式的要素歸結為兩個：與地面的接觸以及髖關節的屈曲和伸展。當研究人員測量 Lokomat 上癱瘓患者的脊髓迴路活動時，他們發現該模式與健康志願者中的模式相同。不同之處在於訊號不足以收縮肌肉。運動訓練旨在增強脊髓訊號。
去年，哈克瑪發表了一項研究，調查了運動訓練對 196 名不完全脊髓損傷患者的影響。這些患者在癱瘓的肢體中有一些運動或可以收縮一些肌肉，這意味著大腦和脊髓之間仍然存在殘留的連線。該研究表明，這種訓練可以幫助不完全損傷的人。“其中許多人，即使在受傷幾十年後，也能夠在之前一直使用輪椅的情況下行走，”哈克瑪說。該治療並非對每個人都有效；大約 12% 的患者沒有表現出任何改善。
植入電極
幾年前，哈克瑪開始對一些對運動訓練沒有反應的患者測試硬膜外刺激。她在脊髓的最外層手術植入了電極，並在閾值水平以下進行了刺激。由於脊髓習慣於接收來自大腦的大量輸入，因此它對感覺輸入的反應不如以前強烈。這種刺激的目的是使脊髓對感覺線索更加敏感，以便它們可以觸發其固有的運動程式。到目前為止，哈克瑪僅在三名患者身上嘗試了這項技術。經過大約七個月的刺激和站立訓練（其中安全帶支撐患者的部分體重，治療師手動定位肢體），他們多年來首次能夠站立並支撐自己的全部體重。哈克瑪報告說，一名患者恢復了自主移動腳趾和腳踝以及在躺下時彎曲膝蓋 90 度的能力，但僅在接受硬膜外刺激時。自主運動對哈克瑪來說是一個驚喜，她得出結論：“如果脊髓處於正確的功能狀態，你不需要太多就能執行這些運動。”但她的患者都沒有能夠邁出一步。她認為，一旦她的研究團隊改進了刺激和使用的 16 個電極陣列，就有可能實現行走。
哈克瑪推測，啟用脊髓也會放大其與大腦之間的殘餘連線，從而使大腦的微小輸入被系統“聽到”。
生長新的線路
透過讓新的軸突（腦細胞的線狀延伸）生長透過脊髓受損部位來增強大腦輸入，是再生研究的聖盃。去年在《科學》雜誌上發表的一組關於大鼠的精巧實驗表明，即使只剩下大腦和脊髓之間一小部分（2%）的連線，硬膜外刺激結合運動訓練也可以誘導新的連線透過脊髓的切斷部位。瑞士聯邦理工學院神經假體和腦思維中心格雷瓜爾·庫爾丁教授和他的同事使用一種微型版本的用於人的運動訓練裝置，訓練患有不完全病變的小鼠。安全帶支撐了動物的部分體重，因此只有癱瘓的後肢與地面接觸。研究人員在誘使大鼠走向美食的同時給予硬膜外刺激。經過三週的訓練，大鼠能夠邁出第一步，大約五週後，它們可以爬樓梯並在障礙物周圍移動。庫爾丁發現，訓練後，病變部位成為了新軸突的家。它恢復了大約 45% 的病變前連線數量，考慮到最初的切割只留下了很少的軸突，這是一種增長爆炸。
與哈克瑪的患者不同，庫爾丁的大鼠還服用了增加脊髓中神經元之間交流的藥物。兩位研究人員都認為，下一步將是讓患者接受這種聯合治療，但大鼠使用的藥物尚未獲得 FDA 對人類的批准。庫爾丁建議，在此之前，可以透過靶向脊髓的多個區域來改善患者的硬膜外刺激。這個想法尚未經過測試。
運動訓練和硬膜外刺激研究表明，在留下一些大腦連線的情況下，有可能重新生長或增強這些連線並恢復自主控制能力。但是，關於感覺運動完全損傷（患者無法移動或感覺）是否也意味著解剖學上的完全損傷（大腦和脊髓之間絕對沒有剩餘連線）的爭論仍在繼續。肯尼迪克裡格研究所國際脊髓損傷中心主任神經學家約翰·W·麥克唐納表示，大約三分之二的完全損傷患者仍然有一些連線。迪茨不同意，他指出脊髓損傷導致的“五到十釐米的出血和破碎的神經元”使得軸突極不可能存活。
庫爾丁和他的同事已經表明，即使在切斷完全斷開大腦與脊髓連線的情況下，大鼠在訓練後仍然能夠行走、避開障礙物，甚至側身移動。儘管看起來其中一些動作需要來自大腦的自上而下的控制，但庫爾丁說它們完全由脊髓控制。“我們脊髓中有智慧神經元網路，可以做出很多決定，這些網路甚至可以學習，”他說。“我們看到的是脊髓中一些迴路的選擇，這些迴路在成功執行任務方面變得更加有效。”
與一些殘餘大腦輸入的大鼠不同，這些大鼠只有感覺輸入，並且無法走向美食——它們無法開始自主移動。“運動完全取決於來自腿部的輸入，”庫爾丁說。只有當它們在跑步機上時，它們才能開始邁步，這樣髖關節和肌肉的運動以及爪子上壓力的變化才能充當脊髓程式開始的觸發器。
刺激肌肉
患有感覺運動完全損傷（無法移動並且沒有感覺）的患者，再次移動的可能性只有 3%。到目前為止，運動訓練並沒有幫助他們恢復邁步的能力。麥克唐納一直在研究一種不同的技術，即肌肉的電刺激，是否會導致神經可塑性——神經細胞響應新輸入而生長和改變的能力。他使用迴圈功能性電刺激 (cFES)，使完全癱瘓的患者能夠在站立的腳踏車上進行騎行運動。在今年發表在《脊髓醫學雜誌》上的一項研究中，他發現 cFES 組中提高運動能力的患者比例高於對照組。例如，一些患者能夠透過充分調動以前只能抽搐的肌肉來移動腿部的某些部位。cFES 組中的許多人恢復了感覺到針刺或輕觸的能力。麥克唐納認為肌肉活動會導致新的感覺纖維的生長，以及他從這些患者身上看到的變化。
FES 並非新事物；自 70 年代末以來，它一直被用於幫助癱瘓患者。麥克唐納在克里斯托弗·裡夫事故發生大約五年後，當裡夫仍然完全沒有運動控制，並且預後為永久性完全癱瘓時，將迴圈 FES 作為克里斯托弗·裡夫療法的一部分。但麥克唐納認為，肌肉活動可以重新啟用神經系統。在每週騎行三小時大約三年後，裡夫能夠移動手臂和腿部的一些肌肉。
根據迪茨和哈克瑪的說法，FES 不會像運動訓練那樣啟用脊髓迴路。因此，哈克瑪認為它不是治療不完全損傷患者的正確療法。
雖然尚不清楚 FES 是否可以幫助患者恢復行走能力，但麥克唐納表示，它確實可以提高人們的生活質量。之前的研究表明，它可以防止肌肉萎縮、減少痙攣並有助於改善迴圈。他的研究表明，該治療可以降低膽固醇水平和肌肉內脂肪，這些因素可能導致脊髓損傷患者患上 2 型糖尿病。患者還恢復了膀胱控制，這是患有此問題的人的優先事項之一。對患者來說，最重要的變化之一是感覺；麥克唐納說，能夠再次感受到擁抱會帶來很大的不同。
今天和不久的將來
雖然硬膜外刺激療法尚未普及，但功能性電刺激（FES）和使用Lokomat及其同類裝置的步行訓練現在相對容易獲得。非營利性康復中心對一次FES治療收費約120美元，一次步行訓練收費約175美元。在保險覆蓋治療的情況下，患者每次治療需支付約40美元。對於那些不住在康復中心附近的人，可以使用家用FES腳踏車，但價格在15,000到17,000美元之間。
獲得裝置非常重要，因為有證據表明，治療開始得越早，效果越好。Dietz發現，受傷後大約一年，脊髓迴路開始“退化”。它們不再以相同的方式響應感覺輸入。他認為，訓練和刺激可以幫助防止神經元退化，保持脊髓迴路開放，以便在未來幾年出現新的再生療法時進行重新程式設計。
目前處於實驗階段的療法正在取得進展。Courtine正在研究結合治療（硬膜外刺激、藥物治療和步行訓練）的靈長類動物模型，以便隨後在人類身上進行測試。Dietz正在研究提供脊髓刺激的侵入性較小的方法。該領域的研究人員正在取得重大進展，但Courtine警告說，仍有許多工作要做：“我們不是在努力尋找治癒方法，我們正在努力開發干預措施，我希望這些措施能幫助人們改善康復。”