生命科學

腦機介面重拾希望

新一代的腦機介面可讀取並執行癱瘓病人的意念,藉由機械手臂或電子設備完成病人長久以來的想望,例如舉杯暢飲。

撰文/安德森(Richard Andersen)
翻譯/謝伯讓

生命科學

腦機介面重拾希望

新一代的腦機介面可讀取並執行癱瘓病人的意念,藉由機械手臂或電子設備完成病人長久以來的想望,例如舉杯暢飲。

撰文/安德森(Richard Andersen)
翻譯/謝伯讓


每次見到此景,我都會起雞皮疙瘩:癱瘓的受試者坐在輪椅上,以意念控制電腦或機械手臂。這是腦機介面(brain-machine interface)功能的展現。


2013年在我的實驗室中,21歲時受槍傷後便四肢癱瘓的索托(Erik Sorto)在無人協助下,只憑意念就可以自己喝到啤酒,這是他10多年來第一次辦到這件事。腦機介面從他的高階皮質區送出神經訊號,接著機械手臂便能伸出,抓住並舉起酒瓶,再把酒瓶送到索托的嘴邊讓他啜飲。一年前我們團隊經由手術在索托的腦中植入電極,捕捉他腦中負責啟動肢體行動意圖的神經訊號。我和實驗室同事驚歎地見證索托完成了看似簡單實際上卻困難無比的動作。


當人們看到這樣成功的案例,心中立即產生疑問:只憑意念如何控制機械義肢?每天我們不需深思就能移動四肢,而讓機器輕鬆完成這些動作就是所有先進腦機介面的目標。數十年來神經科學家試圖解碼那些啟動伸手取物的神經訊號,但一直無法精準讀取,於是科學家開始尋找新方法,希望能從腦中860億個神經元在溝通時傳送的電訊號看出端倪。現在,新一代的腦機介面前景看好,病患無論是想拿起杯子或走路,透過精準讀取病患腦中負責形成並啟動行為的訊號,我們將能讓大腦和機械義肢的連結無縫接軌。


鎖定關鍵腦區


腦機介面的運作是透過傳送(寫入)和接收(讀取),把訊號傳入和傳出大腦,這類科技大略可分為兩種型式。「寫入式」的腦機介面主要透過電刺激把訊號傳入神經組織,此技術已成功應用在臨床上。例如人工電子耳可刺激聽神經來幫助聾人聽到聲音;針對控制行動的腦區(基底核)進行深部腦刺激術,可以治療帕金森氏症和自發性震顫等動作障礙疾病;刺激視網膜的裝置已經進入臨床試驗階段,未來可望改善某些類型的視盲。


相較之下,「讀取式」的腦機介面目標是記錄神經活動,目前仍在發展階段。我們必須先克服讀取神經訊號時所面對的獨特挑戰,這項技術才能在未來進入臨床試驗。現在已有較為粗糙的讀取技術:腦電圖(EEG)可記錄數公分大小的腦部組織的平均活動,這涉及數百萬個神經元的整體活動,而非單一神經迴路中單一神經元的訊號;功能性磁共振造影(fMRI)則是間接測量活化的腦區中血流量的變化,fMRI能測量到比EEG更精細的腦區,但解析度仍不夠,而且fMRI測量的腦中血流變化是較緩慢的活動,無法顯示出腦中快速的神經生理變化。


若想克服這些限制,理想上要能記錄單一神經元的活動,並同時觀察大量單一神經元的活化頻率,才能得知特定腦區的完整資訊。近年來,透過在腦中植入微電極陣列,我們終於可以記錄這些訊號。目前我們使用4×4公釐、內含100個電極的平面陣列裝置,每根探針都突出於電極陣列平面,長度1~1.5公釐,整個陣列就像一個釘床,可同時記錄100~200個神經元活動。


這些電極所記錄的訊號會傳送到「解碼器」中,接著透過演算法,這些單一神經元發出的各種訊號型態會轉譯成啟動特定行為的訊號,例如操控機械手臂或電腦。這種讀取式的腦機介面可幫助仍然有腦部活動的病人,例如脊髓損傷、中風、多發性硬化症、肌萎縮性偏側硬化症以及裘馨氏肌營養性萎縮症患者。


我們實驗室的研究重心放在四肢癱瘓的病人,他們因為頸椎受傷,無法移動手或腳。我們先記錄大腦皮質的活動,也就是約3公釐厚的大腦表層內的神經活動;如果把大腦皮質展開,每側半腦的皮質面積大約8萬平方公釐。隨著科學進展,蒐集到的資訊日益增加,科學家已經找到越來越多專司某種特定功能的腦區,目前大約發現了180處,這些腦區負責處理知覺訊號並聯絡其他負責認知功能的腦區,最後做出決策或送出命令以啟動動作。


簡而言之,腦機介面可以和許多腦區互動,其中之一是主要皮質區(primary cortical area),這些腦區負責偵測輸入的知覺訊號,例如由視網膜進入的光線角度和強度,或周邊神經末梢引發的感覺。各個研究團隊鎖定的腦區還包括擁有高密度連結的聯合皮質(association cortex),此腦區連結了專司語言、物體辨識、情緒以及決策執行控制等各主要皮質區。......