The mechanical mismatch between soft neural tissues and stiff neural implants hinders the long-term performance of implantable neuroprostheses. Here, we designed and fabricated soft neural implants with the shape and elasticity of dura mater, the protective membrane of the brain and spinal cord. The electronic dura mater, which we call e-dura, embeds interconnects, electrodes, and chemotrodes that sustain millions of mechanical stretch cycles, electrical stimulation pulses, and chemical injections. These integrated modalities enable multiple neuroprosthetic applications. The soft implants extracted cortical states in freely behaving animals for brain-machine interface and delivered electrochemical spinal neuromodulation that restored locomotion after paralyzing spinal cord injury.

A multigrasp, bidirectional hand prosthesis delivers dynamic sensory feedback, allowing a user with a hand amputation to achieve fine grasping force control and realistic object sensing.

A wireless brain–spine interface is presented that enables macaques with a spinal cord injury to regain locomotor movements of a paralysed leg. Grégoire Courtine and colleagues show that a fully implantable, wireless brain–spine interface can be used to improve locomotion after a unilateral spinal lesion in monkeys without training. The authors implanted monkeys with an electrode array in the leg area of the motor cortex and a stimulator in the lumbar spinal cord, enabling real-time decoding and stimulation. Decoded activity from the motor cortex was used to stimulate 'hotspot' locations in the lumbar spinal cord that control hindlimb flexion and extension during locomotion. Stimulating these hotspots enhanced flexion and extension of the target muscles during locomotion in intact monkeys and restored weight-bearing locomotion of the paralysed leg in monkeys with a unilateral spinal cord lesion six days after the injury. This proof-of-principle study shows that a similar system may improve or restore locomotion in people with spinal cord injury. Spinal cord injury disrupts the communication between the brain and the spinal circuits that orchestrate movement. To bypass the lesion, brain–computer interfaces1,2,3 have directly linked cortical activity to electrical stimulation of muscles, and have thus restored grasping abilities after hand paralysis1,4. Theoretically, this strategy could also restore control over leg muscle activity for walking5. However, replicating the complex sequence of individual muscle activation patterns underlying natural and adaptive locomotor movements poses formidable conceptual and technological challenges6,7. Recently, it was shown in rats that epidural electrical stimulation of the lumbar spinal cord can reproduce the natural activation of synergistic muscle groups producing locomotion8,9,10. Here we interface leg motor cortex activity with epidural electrical stimulation protocols to establish a brain–spine interface that alleviated gait deficits after a spinal cord injury in non-human primates. Rhesus monkeys (Macaca mulatta) were implanted with an intracortical microelectrode array in the leg area of the motor cortex and with a spinal cord stimulation system composed of a spatially selective epidural implant and a pulse generator with real-time triggering capabilities. We designed and implemented wireless control systems that linked online neural decoding of extension and flexion motor states with stimulation protocols promoting these movements. These systems allowed the monkeys to behave freely without any restrictions or constraining tethered electronics. After validation of the brain–spine interface in intact (uninjured) monkeys, we performed a unilateral corticospinal tract lesion at the thoracic level. As early as six days post-injury and without prior training of the monkeys, the brain–spine interface restored weight-bearing locomotion of the paralysed leg on a treadmill and overground. The implantable components integrated in the brain–spine interface have all been approved for investigational applications in similar human research, suggesting a practical translational pathway for proof-of-concept studies in people with spinal cord injury.

Epidural electrical stimulation (EES) of lumbosacral segments can restore a range of movements after spinal cord injury. However, the mechanisms and neural structures through which EES facilitates movement execution remain unclear. Here, we designed a computational model and performed in vivo experiments to investigate the type of fibers, neurons, and circuits recruited in response to EES. We first developed a realistic finite element computer model of rat lumbosacral segments to identify the currents generated by EES. To evaluate the impact of these currents on sensorimotor circuits, we coupled this model with an anatomically realistic axon-cable model of motoneurons, interneurons, and myelinated afferent fibers for antagonistic ankle muscles. Comparisons between computer simulations and experiments revealed the ability of the model to predict EES-evoked motor responses over multiple intensities and locations. Analysis of the recruited neural structures revealed the lack of direct influence of EES on motoneurons and interneurons. Simulations and pharmacological experiments demonstrated that EES engages spinal circuits trans-synaptically through the recruitment of myelinated afferent fibers. The model also predicted the capacity of spatially distinct EES to modulate side-specific limb movements and, to a lesser extent, extension versus flexion. These predictions were confirmed during standing and walking enabled by EES in spinal rats. These combined results provide a mechanistic framework for the design of spinal neuroprosthetic systems to improve standing and walking after neurological disorders.

Analysis of synergistic muscle activations during locomotion and anatomical tracing of muscle synergy representations in the rodent spinal cord guide the development of a new spinal implant for neuromodulation therapy. In multiple rodent models of spinal cord injury, spatiotemporal stimulation that mimics naturalistic muscle activation patterns promotes improved functional recovery over previously described continuous stimulation protocols. Electrical neuromodulation of lumbar segments improves motor control after spinal cord injury in animal models and humans. However, the physiological principles underlying the effect of this intervention remain poorly understood, which has limited the therapeutic approach to continuous stimulation applied to restricted spinal cord locations. Here we developed stimulation protocols that reproduce the natural dynamics of motoneuron activation during locomotion. For this, we computed the spatiotemporal activation pattern of muscle synergies during locomotion in healthy rats. Computer simulations identified optimal electrode locations to target each synergy through the recruitment of proprioceptive feedback circuits. This framework steered the design of spatially selective spinal implants and real-time control software that modulate extensor and flexor synergies with precise temporal resolution. Spatiotemporal neuromodulation therapies improved gait quality, weight-bearing capacity, endurance and skilled locomotion in several rodent models of spinal cord injury. These new concepts are directly translatable to strategies to improve motor control in humans.

Epidural electrical stimulation (EES) of the spinal cord restores locomotion in animal models of spinal cord injury but is less effective in humans. Here we hypothesized that this interspecies discrepancy is due to interference between EES and proprioceptive information in humans. Computational simulations and preclinical and clinical experiments reveal that EES blocks a significant amount of proprioceptive input in humans, but not in rats. This transient deafferentation prevents modulation of reciprocal inhibitory networks involved in locomotion and reduces or abolishes the conscious perception of leg position. Consequently, continuous EES can only facilitate locomotion within a narrow range of stimulation parameters and is unable to provide meaningful locomotor improvements in humans without rehabilitation. Simulations showed that burst stimulation and spatiotemporal stimulation profiles mitigate the cancellation of proprioceptive information, enabling robust control over motor neuron activity. This demonstrates the importance of stimulation protocols that preserve proprioceptive information to facilitate walking with EES.

Epidural electrical stimulation (EES) targeting the dorsal roots of lumbosacral segments restores walking in people with spinal cord injury (SCI). However, EES is delivered with multielectrode paddle leads that were originally designed to target the dorsal column of the spinal cord. Here, we hypothesized that an arrangement of electrodes targeting the ensemble of dorsal roots involved in leg and trunk movements would result in superior efficacy, restoring more diverse motor activities after the most severe SCI. To test this hypothesis, we established a computational framework that informed the optimal arrangement of electrodes on a new paddle lead and guided its neurosurgical positioning. We also developed software supporting the rapid configuration of activity-specific stimulation programs that reproduced the natural activation of motor neurons underlying each activity. We tested these neurotechnologies in three individuals with complete sensorimotor paralysis as part of an ongoing clinical trial ( www.clinicaltrials.gov identifier NCT02936453). Within a single day, activity-specific stimulation programs enabled these three individuals to stand, walk, cycle, swim and control trunk movements. Neurorehabilitation mediated sufficient improvement to restore these activities in community settings, opening a realistic path to support everyday mobility with EES in people with SCI.

SUMMARY Recovering arm control is a top priority for people with paralysis. Unfortunately, the complexity of the neural mechanisms underlying arm control practically limited the effectiveness of neurotechnology approaches. Here, we exploited the neural function of surviving spinal circuits to restore voluntary arm and hand control in three monkeys with spinal cord injury using spinal cord stimulation. Our neural interface leverages the functional organization of the dorsal roots to convey artificial excitation via electrical stimulation to relevant spinal segments at appropriate movement phases. Stimulation bursts targeting specific spinal segments produced sustained arm movements enabling monkeys with arm paralysis to perform an unconstrained reach-and-grasp task. Stimulation specifically improved strength, task performances and movement quality. Electrophysiology suggested that residual descending inputs were necessary to produce coordinated movements. The efficacy and reliability of our approach hold realistic promises of clinical translation.

Abstract Objective Cervical transcutaneous spinal cord stimulation (tSCS) is a promising technology that can support motor function recovery of upper-limbs after spinal cord injury. Its efficacy may depend on the ability to recruit sensory afferents and convey excitatory inputs onto motoneurons. Therefore, understanding its physiological mechanisms is critical to accelerate its development towards clinical applications. In this study, we used an anatomically realistic computational model of the cervical spine to compare α-motor, Aα-sensory, and Aβ-sensory fiber activation thresholds and activation sites. Approach We developed a tridimensional geometry of the cervical body and tSCS electrodes with a cathode centred at the C7 spinous process and an anode placed over the anterior neck. The geometrical model was used to estimate the electric potential distributions along motor and sensory fiber trajectories at the C7 spinal level using a finite element method. We implemented dedicated motor and sensory fiber models to simulate the α-motor and Aα-sensory fibers using 12, 16, and 20 μm diameter fibers, and Aβ-sensory fibers using 6, 9, and 12 μm diameter fibers. We estimated nerve fiber activation thresholds and sites for a 2 ms monophasic stimulating pulse and compared them across the fiber groups. Main results Our results showed lower activation thresholds of Aα- and Aβ-sensory fibers compared with α-motor fibers, suggesting preferential sensory fiber activation. We also found no differences between activation thresholds of Aα-sensory and large Aβ-sensory fibers, implying they were co-activated. The activation sites were located at the dorsal and ventral root levels. Significance Using a realistic computational model, we demonstrated preferential activation of dorsal root Aα- and Aβ-sensory fibers compared with ventral root α-motor fibers during cervical tSCS. These findings suggest high proprioceptive and cutaneous contributions to neural activations during cervical tSCS, which inform the underlying mechanisms of upper-limb functional motor recovery.