科學人雜誌
神經科學

手臂移植,神經如何搭上線

2021-03-01 佛雷(Scott H. Frey)
藉由研究接受手臂移植者的復健過程,有助於更進一步了解 成人神經可塑性的極限。

重點提要

  1. 器官移植手術技術不斷進步,加上有效的免疫抑制劑陸續問世,使內含多種組織(肌肉、皮膚、骨頭、神經和血管)的「複合組織異體移植」例如手臂移植,重新燃起希望。
  2. 接受手臂移植的人能否順利控制新手臂,並且沒有出現免疫排斥,將成為手臂移植成功的新定義。這也是神經科學家感興趣的焦點:探索成人神經可塑性的極限。
  3. 神經科學家藉由接受手部移植的個案復健研究發現,成人的周邊神經損傷後能重新生長,而成人大腦即使缺乏刺激多年,仍可對新手臂傳來的刺激做出回應。


1964年2月,美國梅約醫院的外科醫師伊利薩德(Roberto Gilbert Elizalde)在厄瓜多的瓜亞基爾找到一位理想的器官捐贈候選人,以進行一項實驗室中發展已久的先進手術。28歲的盧納(Julio Luna)是一名水手,在一次手榴彈爆炸事件中失去了右手。伊利薩德從美國一項由死者身上取得腎臟的移植手術獲得靈感,希望可以把捐贈者的右手移植給盧納。


在漫長的九小時手術中,伊利薩德的團隊仔細把一位因胃潰瘍出血而過世的捐贈者手臂骨頭、肌腱、血管、肌肉和皮膚與盧納的手臂對接。透過新穎的顯微手術技術,他們縫合了細微的神經纖維束,希望藉此引導盧納受傷手臂新生的感覺和運動神經纖維,在接下來幾個月與新手掌連結起來。完成手術已精疲力竭,手術團隊焦慮地看著手術鉗移除,盧納蒼白的新手臂在血液流入後重獲生機。賀喜的長途電話絡繹不絕,《紐約時報》也報導了這則新聞:「死人手臂成功移植」。這是繼腎臟和眼角膜後,另一個進行移植的人體器官,是一項艱難的手術。根據《泰晤士報》的報導:「昨日多位專家都認為,此項手術最終失敗的機率很高。」


手術後第一週,當盧納收縮前臂肌肉時,新手掌的肌腱可以彎曲手指,專家的看法似乎都錯了。醫生給予盧納免疫抑制劑硫唑嘌呤(azathioprine),讓他的身體不會排斥外來組織器官。但是到了第二週,醫生就發現免疫抑制劑並不足以維持一切正常。當壞疽現象發生時,盧納被送回了波士頓,拯救右手臂的努力依然失敗。移植手術23天後,盧納再度成了截肢者。醫學界對於伊利薩德的高風險手術有褒有貶。反對者認為手術程序不道德、危險且非必要,因為手臂移植並不是盧納延續生命的必要手術,這也是許多手臂移植專家至今仍然堅持的立場。關於這個問題,一直到30年後另一項手臂移植手術施行時,醫學界才有了再次審視的機會。


30年來外科手術技術不斷進步,再加上環孢靈(cyclosporine)以及後來的雷帕黴素(rapamycin)和他克莫司(tacrolimus)等更有效的免疫抑制劑,有不少器官移植(例如腎臟、肝臟和心臟)已經幾乎成了常規手術。到了1990年代,這些強效藥物讓大家對內含多種組織(肌肉、皮膚、骨頭、神經和血管)的器官移植重新燃起希望,「複合組織異體移植」(composite tissue allotransplantation)這門領域也應運而生。1998年,法國一個醫學團隊進行了史上第二次手臂移植,隨後美國肯塔基州路易維爾猶太醫院的另一個團隊也完成同樣的手術,該名病人史考特(Matthew Scott)已迎來手臂成功移植22週年。


不過,手臂移植目前仍在實驗階段,而且充滿爭議,手臂移植在全世界總共只施行過約100次。有別於其他器官移植的是,手臂移植並不是挽救性命的手術,接受手術的病人會經歷重大手術流程,接著是漫長的恢復期及大量復健。他們必須終生服用免疫抑制劑,可能因此對內臟造成負擔,同時罹患特定癌症、病菌感染和其他疾病的風險也會上升。接受手臂移植的塞維基(David Savage)在移植12年後因癌症逝世,可能和免疫抑制劑有關;稍後再來談談他的故事。


那麼為什麼不用義肢就好呢?當我訪問接受手臂移植的洪都司基(Erik Hondusky)時,他的回答很簡單:「這是一個雙手世界。」洪都司基的話說明了其他手部移植者的感受,他們都對義肢心有不滿,同時也強烈希望能再次感受到身體的完整。義肢目前仍是一種不靈敏的工具,你無法使用義肢體會輕滑過蜘蛛絲時的感覺,無法觸摸到鍵盤上F和J按鍵的輕微凸起,也無法感受咖啡杯的細微溫度變化。遺憾的是,洪都司基最後因為葡萄球菌感染而在九年後再次截肢。他只有在騎腳車時才不甘願地裝上義肢。義肢本身還存在一些其他挑戰。儘管我們已經在科技上有重大突破,但有很高比例的截肢者都選擇不使用上肢義肢。


路易維爾猶太醫院的長期合作夥伴、研究人員考夫曼(Christina Kaufman)發現,手臂移植的整體手術結果以及術後免疫排斥防治仍算相當不錯,約有80%的受贈者順利保有新手臂超過五年,隨著捐贈者和受贈者的免疫相容配對檢驗技術日益提升,移植年限應該還會越來越長,同時,受贈者也將越來越多。因此,移植手臂將不再只著重有沒有出現免疫排斥,受贈者是否能順利控制新手臂,將逐漸成為手臂移植是否成功的新定義。而這也是神經科學家有興趣的焦點。


神秘的幻肢感


由於我的母親患有多發性硬化症(腦與脊髓神經元上的脂質髓鞘受到自身免疫系統攻擊),她的日常活動都非常辛苦,因此我很早就對大腦如何控制雙手非常好奇。我的母親無法控制雙手、身體無法保持平衡,肌肉衰弱且時常痙攣,至今我仍可清晰回憶這些事,並促使我不斷探究大腦如何控制雙手。我們的大腦運用了許多腦區計算並控制手部動作,我的實驗室已經探索此領域超過20年。我們透過非侵入性的功能性磁共振造影(fMRI)研究手部動作的神經機制,追蹤腦中局部區域神經活動相關的血流變化及含氧量。


以下是fMRI實驗的實際流程:實驗受試者必須交替輕敲手指,並在短暫休息後不斷重複該動作。由於每側半腦負責處理對側感覺訊息並控制對側肢體動作,因此當受試者移動右手手指時,左腦運動皮質區中與手部動作有關的神經元群就會發出電生理脈衝(動作電位)。這些訊號會經由皮質下的白質傳至脊髓,然後透過周邊運動神經來收縮右手臂及手部相關肌肉。接下來,手指運動會刺激皮膚中特殊的感覺受器、肌腱以及關節,並把反饋訊號從周邊感覺神經回傳至脊髓,然後再透過上行電生理脈衝,經由皮質下的腦區傳至左腦感覺皮質中與手部有關的特定區域進行處理。


上述這些神經活動都會消耗能量。在不到一秒鐘內,微血管會擴張,導致大量的含氧血(血紅素)流入活躍的腦區。這些和神經活動有關的局部血氧濃度變化,會干擾MRI機器中的磁場。當氧分子沒有和血紅素結合時,血紅素的磁化率較強(順磁態),而氧合血紅素的磁化率較弱(逆磁態)。這些效應會反映在和神經活動有關的相對血氧濃度訊號上。在輕敲手指的實驗中,訊號分析軟體會顯示受試者左腦的手部感覺和運動腦區活化。許多截肢者會經驗到強烈的「幻肢」,那是一種截肢後肢體仍然存在的感覺,在一些截肢病人身上,fMRI甚至也可偵測到其大腦活動。當實驗人員要求截肢者移動「幻肢」上的手指時,fMRI會偵測到該手指先前所對應的腦區活化。這些發現顯示,即使截肢者失去了斷肢,但至少某些截肢者的腦中仍然表現得有如斷肢依舊存在。不過,事情其實還更複雜。


動物的基礎神經科學研究顯示,當肢體因周邊神經受損而不再向大腦送入訊號時,大腦皮質出現結構上的巨變。換言之,大腦皮質中的感覺與運動功能區域和外來刺激息息相關。而人腦有部份的情況也如此。當截肢者另一隻正常的手臂活動時,大腦中除了和正常那隻手有關的腦區會活化,原本和斷肢有關的感覺與運動腦區也仍會活化。同樣地,有些fMRI研究顯示,當嘴唇動作時,原本與斷肢有關的腦區也會活化。


這就是神經科學家十分感興趣之處。成年人的腦在截肢後數年甚至數十年,是否仍有足夠的神經可塑性去控制新手臂?此問題的答案將有助於更全面理解身體損傷、脊髓損傷、或甚至是腦傷後功能回復的可能性......


更多文章
活動推薦更多
追蹤科學人