黃浥暐

壹、議題概要^*

一個國際合作團隊研發出一種腦部——機械介面（Brain-machine interfaces, BMIs)，並藉此機械外骨骼（robotic exoskeleton）與虛擬實境（virtual reality, VR）應用，針對8位半身癱瘓病換進行腦部訓練。參與研究患者分別於3～13年前遭受嚴重脊髓損傷，其皆於巴西聖保羅復健中心進行每週兩次、每次長達1小時訓練，同時亦進行一般物理治療。研究1年後發現，多數病患者可重新移動並感受下半身知覺，其中部分患者可在協助下行走，半數病患從完全癱瘓狀態回復至非完全癱瘓，效果超乎預期，甚至打破過去脊髓損傷被視為不可逆之觀念。

此研究結果雖尚需更多實證研究加以證實並解讀，但研究人員提出理論認為：此項技術以VR提供腦部進行模擬與想像，同時透過機器，輔助患者執行實際移動動作，促使其動力增加，導致因脊髓損傷，但尚未死亡而處於休眠狀態中的神經迴路甦醒。假使此推測為真，那麼未來對於脊髓損傷治療或許可結合腦部訓練與幹細胞療法，促使受損神經迴路修復，從而讓完全治癒脊髓損傷不再只是夢想。

貳、討論與分析

此篇報導中的研究內容為「再度行走計畫」（walk again project）之後續延伸。計畫目標是讓半身癱瘓導致行動受限之患者能藉由BMIs裝置，以意念控制機器並訓練其下肢行走功能。2014年巴西世界杯足球開幕賽中，參與此計畫之癱瘓青年進行的開球活動，即為此領域重要之里程碑。

BMIs，顧名思義，即為人類大腦與機器之間溝通的介面，正彷彿科幻電影常見之場景，將人類腦部連接電極相關設備之後，人們將可直接藉由意念操控機器。然而，如何將人類意念傳遞至機器呢？簡單來說，此模式須透過偵測腦波訊號，並從中提取腦波特徵，以判讀腦波呈現之意義，最後再將其轉化為機械式指令也就是須經由訊號偵測，在過濾雜訊之後，將腦波進行特徵提取與分析，接著再轉化為機械指令，並讓機械式指令執行動作程序。

BMIs來自於「再度行走計畫」¹，此計畫自2007年創始，藉由長期投入神經復健與研發機械外骨骼之神經科學家M. Nicolelis主持，其組成一25國家參與之國際團隊，研究成員涵蓋至少150名相關領域之科學家。此計畫內容主要分別為：一、發展BMIs，並以3D列印符合研究對象頭型之頭盔，並在頭盔內層設置電極以便偵測腦波變化，機械介面則設計成可透過腦波改變以提取腦波訊號，在將之轉譯成機械指令後，讓機械指令啟動活動裝置。二、外骨骼裝置發展，則是內建多項陀螺儀，避免患者於移動中失去平衡，且其背上具有供電之電池裝置，可供給外骨骼動力所需之用，同時配合腦波運算資料，將其轉換為外骨骼動作之電路與處理器。三、設計人工皮膚，以利患者觸覺回饋，因觸覺回饋是良好行走動作不可或缺之要件。因為此一要件的重要關鍵性，研究團隊特別與慕尼黑工業大學（Technische Universität München）協力合作，共同發展出具備壓力、溫度以及速度感應器之人工皮膚，並將其置於患者腳底之處。此一設置將患者每次踩踏動作所感應之觸壓壓力偵測皆傳遞至手臂，促使患者能在手臂上獲得感知，藉此誘發大腦發展出行走感覺的重建。四、臨床測試則是透過巴西聖保羅醫院所招募之8位下身癱瘓患者，利用VR模擬真實場景狀況，讓參與臨床研究之患者可於機器外骨骼之協助下，在跑步機上進行行走動作。在將近半年的訓練期間後發現，8位脊髓損傷患者皆能透過此裝置，成功踏出120步。

此臨床研究之結果，振奮了諸多神經再生與恢復領域研究者與及髓損傷患者，然而此研究的成功，除仰賴研究團隊中每一成員的努力之外，計畫主持人亦功不可沒。事實上，在此臨床研究獲得良好結果之前，來自巴西的神經科學家，現任美國杜克大學（Duke University）教授M. Nicolelis，早在1984年開始，即投身從事此一領域之基礎研究，其曾成功讓老鼠利用腦波以操縱搖桿；讓猴子運用腦波操控數百公里之外的機械手臂，這些神經相關研究是累積長達30年努力的動物試驗結果，逐步發展成今日之成果。

「再度行走計畫」研發團隊的最初目標，僅是期望設計一能以意念控制之機器，以協助癱瘓患者行走，此機器更像是高科技版本之拐杖。²然而，研究執行七個月後，研發團隊發現，患者的脊髓居然開始恢復功能，並於其多項腦部皮區恢復感覺功能，如痛覺、觸覺、本體覺等。根據肌電圖結果，更發現某些患者在參與研究訓練後，其自主運動之下肢關鍵肌肉功能逐漸恢復。此外，研究團隊進一步以腦波要件相關頻譜震盪技術（Event Related Spectral Perturbation, ERSP）分析大腦之腦波表現，結果顯示，研究對象的下肢運動與感覺皮層皆變得比為參與研究前更為活躍。在這些研究結果發生之前，研究團隊只單純地認為其所開發的腦部─機械介面僅是輔助及髓損傷患者行走，並未預期此系統具有復健效果或功能。然而，這些結果帶來了回復神經之可能性，即為癱瘓患者於脊髓損傷之後，或許仍保有部分具功能性的神經迴路，其可透過BMIs之訓練，促使其再度被激發或做出反應。

2014年世足會的癱瘓青年，在足球場跨出的一小步，卻是科學發展中的一大步，隱藏其後的神經科學、醫學、資訊工程、機械、數學等眾多領域技術與成果的結合，是眾多科學家耗費長達數十年的心血，也是多個國家與大學實驗室傾注全力之合作結晶。一位來自巴西的科學家，在巴西的國家各個實驗室、私人機構以及銀行相關單位的配合與支援之下，最終在母國的國球盛宴上展現出美麗的成果，何嘗不是振奮人心的激勵故事？期許如此的團隊合作之成功果實，將有一日也能在臺灣成長、茁壯。

參、延伸閱讀

1. 郭博昭，多元思考——人腦與電腦的整合：腦機介面簡介，收錄於：黃政傑、江惠貞編，人是什麼：生命教育，復文，2010年12月，284-291頁。
2. 黃子珍、鄭宏志、吳振嫺、廖婉雯，脊髓損傷治療新觀——神經再生術，榮總護理，20卷2期，2003年6月，142-148頁。

註釋

• Beth Mole, Brain training with exoskeleton and VR spurs recovery for paraplegics, ARSTECHNICA, 11/8/2016, http://arstechnica.com/science/2016/08/brain-training-with-exoskeleton-and-vr-spurs-recovery-for-paraplegics/　返回內文

1. São Paulo, Walk Again Project Becomes a Reality, http://www.releasedigital.com.br/aasdap-iinn-els/walk-again-project; 藍弋丰，雙腿癱瘓也能開球？巴西世界盃將向世人展現奇蹟，http://technews.tw/2014/05/29/mind-controlled-prostheses-offer-hope-for-disabled/　返回內文
2. ANA R.C. DONATI ET AL., Long-Term Training with a Brain-Machine Interface-Based Gait Protocol Induces Partial Neurological Recovery in Paraplegic Patients, in SCIENTIFIC REPORTS 6 doi:10.1038/ srep30383 (2016).　返回內文