义肢再进化:不只能动,还能感受

2020-06-16    收藏268
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编译来源:《Neuroprosthetics: Once more, with feeling》

相信在忙不过来的时候,许多人都曾经想过要是能多一只手或脚就好了。人类的神经与肌肉系统是非常精緻完美的系统,如果能多出一两只手脚,还真的会大大的改变我们生活的方式。我们的四肢质量既轻、感受灵敏、又能作出各种精细的移动,万一失去了其中一部分,就会造成极大的不便。虽然目前市面上已有许多製作精良的辅具,但还是无法提供肢体残障人士全面的功能。因此有许多的研究者与工程师们便致力研究,如何才能使肢体残障碍者重获原来的自由。

义肢再进化:不只能动,还能感受

科学家已研发出能用能意念操纵的神经义肢,在心随意转的神经义肢已经具体化的时代,下一步则是找回肢体的感觉。(图片来源:自然期刊)

一般的义肢最不方便的地方,就是只能仰仗外力、不能够随心所欲地移动,这些义肢除了支撑与美观之外,鲜少有其它的功能。然而已有研究者与工程师们突破了这个功能上的限制,研发出能够用大脑控制的「神经义肢」(Neuroprosthetics)。神经义肢顾名思义便是用神经迴路来控制的义肢,这些神经迴路与大脑中原本就掌管动作神经的区域连接,经过一段时间的训练之后,就可以让人光用「想」来移动义肢,甚至可以拿取眼前的物品。

能以意念操纵义肢听起来已经很酷了,然而,当前最尖端的研究团队还想让这些义肢去感觉外在世界。人体的四肢包含运动神经与感觉神经。运动神经受损,大脑无法控制肢体运动,因而限制了活动,造成生活上的极大不便;感觉神经受损,就没办法将外在刺激的讯息传入大脑。必须藉由感觉神经与运动神经两者的协调运作,我们才能随时调整细微的肌肉运动,完成像穿针、扣钮釦、拿取蛋糕水果等细腻的动作。

但我们要如何才能透过冰冷的机器感受到外在的温度与物体的质地呢?目前的研究有3种取向:1.藉由断肢所留下的神经元连结到脑部神经中枢;2.改变神经迴路连结到其他部位的皮肤;3.直接连结到中枢神经的感觉神经元受体。与断肢所留下的神经元直接连结是个很直接的作法,目前美国犹他大学(University of Utah in Salt Lake City)与凯斯西储大学(Case Western Reserve University)的两组研究团队都已得到初步的好结果。他们让义肢产生细微的电流去刺激断肢部分的神经元,受试者们都表示体验到了栩栩如生的感觉。然而这样的方式还是有所不足,因为这样直接刺激的方法可能会造成某些神经元的损伤。

另外,芝加哥复健机构的仿生医疗中心(Center for Bionic Medicine at the Rehabilitation Institute of Chicago in Illinois)之研究团队也发现了另一种重获感觉的方法。研究团队一开始只是希望藉由胸部的运动神经元来操纵义肢,但却发现这些胸部的肌肤可以提供仿若手部去触摸物体的感觉。此发现提供研究者一个思考方向,也就是经过神经迴路的重整,其他部位的皮肤也可以取代断肢来探索这个世界。然而这个方式的缺点是每个人经过神经移植之后,所出现的对应模式各不相同,没有通则可言。上述2种方式,只适用在因外伤而失去部分肢体的残障人士。若是因中风或中枢神经的损伤、导致周边神经失去功能,就只能让义肢直接与脑中的感觉神经连接,以再造真实的感觉。

芝加哥大学(University of Chicago)、杜克大学(Duke University School of Medicine in Durham, North Carolina)、与布朗大学(Brown University)的研究团队正在研究这种方法的可行性。因为这种研究对人体具有侵入性,所以目前都是以猴子为研究对象,但猴子无法明确地表达出从义肢中获取的感觉。初步的研究结果显示这种方法可以让猴子们分辨不同质地或触觉的物体。理论上,这种方法最精準、适用性也最广,但是,因为脑部神经的複杂度与此方法的高度侵入性,后续研发的时间可能会比前述两种方法都还长。

在心随意转的神经义肢已经具体化的时代,下一步则是找回肢体的感觉。上述的研究结果已经展示了从机器中体验到感觉的可行性,接下来的挑战则是如何提升感觉的精确度,以及这些侵入性器材能够耐用的年限等等。随着技术的精进,在10年或20年内我们可能就可以从机器中体验到仿若真实的触觉,而机械与肉体的差异也将逐渐降低。

(本文由国科会补助「新媒体科普传播实作计画」执行团队撰稿,首发表于科技大观园)

来源:

《Neuroprosthetics: Once more, with feeling》延伸学习:
    用什幺工具动什幺脑

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