2013年5月28日 星期二

「腦機介面」的進展

作者:胡永信 (Yong-Sin Hu)
刊載《台北榮總學訊》2013年5月號


面對無法治癒的運動神經退化性疾病
       「吳先生,好久不見了,最近還好嗎?」復健科主治醫師問候道。進入診間的是一位由外籍看護推著、坐在特殊輪椅上的中年男性。男子沒有開口回應,只是勉強將頭轉向主治醫師、用眼神示意。面對主治醫師的問診,幾乎都由看護回答,雖然男子嘗試發出幾個聲音,但是都讓人難以聽懂。

        看著男子呆滯的表情與倚靠椅背、無力撐直的頸部,我一度以為他是位頸椎受傷或腦部創傷的病人。但是當我看到電腦螢幕顯示的主診斷─Amyotrophic lateral sclerosis, ALS(肌萎縮側索硬化症),心頭一驚:「這不就是俗稱漸凍人,《最後十四堂星期二的課》一書作者的老師所罹患的疾病嗎!」這是一種目前醫學仍無法治癒、運動神經系統的退化性疾病,患者的肌肉會逐漸失去力量和萎縮,最後影響呼吸能力,並且因為呼吸衰竭或併發肺炎而導致死亡。我看著吳先生空泛的目光,一想到他所面對的絕望未來,以及醫師的束手無策,不禁為他感到惋惜。待他離開診間,我忍不住和主治醫師討論,該用怎樣的心情來面對這樣的患者。此外,主治醫師也建議我搜尋目前醫療或科技有沒有甚麼進展,可以幫助這樣的病人、讓生命品質更好。

機械手臂的革命性突破
        One small nibble for a woman, one giant leap for BCI (1)53歲四肢癱瘓的Jan Scheuermann透過思想操控機械手臂,將巧克力片送入口中。

 (圖一/來源:UPMC)

       13年前,Jan Scheuermann被診斷出脊髓小腦共濟失調症(spinocerebellar ataxia)(2),導致運動平衡失調,並且逐漸失去身體控制,造成頸部以下癱瘓,生活只能依靠家人。當她得知匹茲堡大學醫學中心(UPMC)正招募臨床試驗受試者,毫不猶豫就報名參加。

        美國賓州匹茲堡大學神經生物學教授Andrew Schwarts的研究團隊,日前在腦機介面(brain-computer interface)的動物實驗中,讓猴子成功控制機械手臂的運動,並且進一步推展至人體試驗。

         通過篩選確認為合適的受試者,Jan接受功能性核磁共振(fMRI)定位腦部運動皮質對應右手臂和手掌的區域,再由神經外科醫師Elizabeth Tyler-Kabara216平方公釐大的電極片(每片帶有96個細小的接觸點)植入該區域。


(圖二、大腦運動皮質的對應區域)

         植入腦部的電極可以接收神經元發出的電流、將之傳遞至電腦,再由電腦辨識訊號模式,轉換成控制機械手臂運動的指令。術後第2天,電極連接導線,成功地在電腦螢幕上顯示腦波訊號;1週內,Jan就能用機械手臂和研究者high five;不到3個月就能完成機械手的7維動作,並且餵食自己食物。該研究成果於201212月發表在國際頂尖醫學期刊The Lancet(刺胳針)

       「醫學為生命增添歲月,復建健為歲月增添生命」,醫學為人類增長壽命,而復健更強調生命的品質。義肢(prosthesis)不只是掩飾肢體的傷殘,更可提供功能的重建。BBC 新聞報導,近年來發展漸趨成熟的「仿生手」(bionic hand),同樣運用腦機介面,將手臂神經訊號轉換成機械手臂的控制指令,讓截肢病患重獲肢體功能,未來研究更朝無線(wireless)和增加觸覺回饋的方向邁進。像電影「機械公敵」(I, Robot)主角Will Smith的機械手臂,已不再是夢想。

(圖三/來源:Popular Science)

         二十世紀外科的醫學泰斗Francis D. Moore曾說:「人體就是一個生活空間。當受傷及疾病摧毀這個溫暖的住所,使之無法居住時,居住者不管是能量、思考或靈魂,最好適時地離開。」如今,透過科技顛覆醫學認為無法恢復的身體殘缺,讓心靈能夠突破身體的禁錮。

在台灣,復健醫學近年才受到重視,占全民健康保險的總支出只有一小部分,而且在日益虧損的情況下,病人的部分負擔逐年增加。一隻仿生手「米開朗基羅之手」造價約4.7萬英鎊(台幣約220)對一般人來說已是天價,在全民健保的給規定下,仍是遙不可及。或許現在還不到機械手臂成本效益(cost and effectiveness)分析的時候,但是對四肢癱瘓的病人來說,能夠自行進食不僅是手功能的回復,更為他們掙回人性的尊嚴,我想再多的花費都有人願意支出。

1BCI (brain-computer interface),中文稱腦機介面,研究迄今已30多年,是將腦波的生理訊號轉換為機械裝置的指令,讓使用者直接與外界互動。
2:脊髓小腦共濟失調症,又稱為脊髓小腦萎縮症,是一群基因遺傳疾患的通稱,造成運動平衡失調,嚴重導致四肢癱瘓,近年來因日劇「一公升的眼淚」較為人知。
4:為顧全病人隱私權,文中人物與故事情節皆經修飾,如有雷同,純屬巧合。
 


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