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腦機介面結合虛擬實境將能訓練大腦幫助癱瘓病人康復

文章發表:2017/01/03

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

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