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連接大腦與電腦的技術催生神經療法

上網時間: 2006年06月14日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:neuro  神經  brain  大腦  motor 

能在人的思想與電腦作業之間建立直接聯繫的技術是數十年來人們夢寐以求的理想。現在,要感謝那些富有企業家精神的研究人員在這一領域中的長期耕耘,使這種可協助邏輯神經系統受損者恢復對外界環境控制的技術已處於商業應用的前夕。

其成就之一是為醫學研究人員深入腦部研究開啟了一扇門,使他們可用精密的電子方法取得特殊的神經活動,因而破解思想與身體內部運動神經活動時的奧秘。該技術名為Braingate神經接觸系統,正由Cyberkinetics Neurotechnology Systems公司投入市場。但該公司的創辦人-Brown大學神經科學系主任John Donoghue,他所著眼的卻非僅限於醫療診斷,他對公司的定位是要使Cyberkinetics成為解決醫學領域最棘手難題之一-修復神經系統受損人士功能的一家先驅公司。

朝此目標發展,Cyberkinetics最近收購了Andara Life Sciences公司,該公司的創始人、普渡(Purdue)大學神經科學家Richard Borgens開發出一種刺激神經成長的電子方法。Cyberkinetics還與Case Western Reserve大學的一個研究小組達成研發協定,該小組已經開發出一種能刺激肌肉運動的植入式電極系統,美國聯邦食品及藥物管理局(FDA)已核准了Case Western系統的使用。

這些技術創新絕非一朝一夕可成功。的確,這些工作大多開始於1970年代,當時,醫學研究人員第一次嘗試用電刺激神經,並用訊號處理器分析神經的反應。隨著電子系統變得越來越精密複雜,研究人員逐步獲得了神經如何通訊和處理資訊的知識。現在,這些領域融合在一起,使‘電子生化人’(bionic man)成為現實;電子生化人的概念在1970年代抓住了大眾的想像空間,即使是在研究室從事這項研究的研究人員也不例外。

Donoghue介紹,早期研究大量涉及運動以及大腦如何控制運動等問題的基本特性;以瞭解正常的運動,以及當神經系統發生問題時對運動產生的影響。“醫學研究人員開始認識到大腦是一個平行處理器。所以,想透過僅以單一神經元作用來分析其行為的想法永遠無法解開大腦與身體控制系統的奧秘。

“當時,有許多人從事腦神經元如何為運動編碼這一方向的研究。我們需要一種稱為電極陣列的特殊工具,它要能記錄許多神經元”Donoghue回憶說。“我們在那些年來努力開發出一種能記錄許多神經元的方法,並試圖理解神經語言的意義;而當我們進行這種工作時,我們逐漸了解到,我們所開發的是大腦內一種革命性的感測器,而且我們最終將會理解腦內神經元語言。”

研究人員逐漸明白,聯繫大腦與為腦內神經訊號解碼的這種能力可能催生出一種新技術,這種新技術能使遭受永久神經受傷的人透過電腦直接控制週遭的機械設備。一個簡單的策略顯示出人們能透過與其四肢控制有相同認知的機制,而在電腦螢幕上控制游標。一旦該技術得以實現,就能啟動目前的有線或無線嵌入式控制系統,使缺乏身體控制能力的人,重獲掌控週遭圍環境的能力。

兩年前,Donoghue及其同事進行了一次具有突破性意義的實驗,該實驗清楚顯示了上述目標是可以實現的。“我們首先在一隻猴子身上做實驗,結果顯示,該感測器能從神經元上收集到足夠資訊,讓我們能從這些資訊中解讀出有用資訊。這隻猴子能用其前掌玩一個視訊遊戲,接著我們可以進行切換至基於感測器的系統,並利用直接來自猴腦的命令玩這款視訊遊戲,”他說。

FDA的核准

該實驗使研究人員累積有效資料,以顯示殘障人士能安全地繞過受損的脊椎神經,並透過電腦直接完成動作。因此,Donoghue開始尋求資金,成立一家公司以開發採用此項研究成果的產品。

該實驗的資料有助於使Cyberkinetics迅速獲得FDA的核准,建立一種使殘障人士能將其思想與電腦連接起來的植入式原型設備。該電極陣列包括100個矽晶觸點,其直徑與頭髮一般粗細,透過手術植入大腦內部來控制手和手臂的區域。此外,還包括一條電纜連接到緊挨著皮膚的部位、一個連接至若干電腦的訊號擷取裝置並以皮膚實現接觸。最後,經處理後的訊號被送至電腦監視器中顯示出來。

由於該技術的應用,Cyberkinetics得到FDA的認可而為5位四肢癱瘓的病人開發這種系統,現正對其中3名病人進行實驗。第一個病人自頸部以下全身癱瘓,現在已能在電腦螢幕上移動游標、在螢幕上畫圖形、開啟一個e-mail程式並讀e-mail,然後退出該程式。

“當我們開始針對這些在幾年前受到運動神經傷害的病患作實驗時,他們在這方面的活動神經功能是否仍完好無損仍是一個懸而未決的問題,”Donoghue表示。這些臨床實驗證明了大腦與電腦控制的實用性,另外,Cyberkinetics也將其臨床實驗擴展到其他神經損傷領域。

“該技術的特點之一是它並非針對特定患者,只要是一個無法運動但擁有正常大腦的人,該技術都將有所幫助,”他說。

雖然這種繞接技術只是個開端,但最近發現植入電極還能刺激神經生長的現象,也許是神經學家在試圖治癒受傷脊椎的努力中,長久以來所夢寐以求的。

普渡大學應用神經學院院長Borgens成立了Andara Life Science公司,並將一種治療法投入市場。該治療方法是根據一項發現:胚胎發育期的神經生長受電場的引導。與Donoghue一樣,Borgens花費數十年時間來研究神經生長的生物學基礎,另外,他透過修復受損脊椎的神經所使用的簡單設備,使得許多研究人員進行的大量工作得以實現。

“我想強調的是,這不僅是我一個人的工作,”Borgens表示。“它一直都是整個團隊努力的成果,以後也是一樣。我只是該組織一個代言人而已。”

該設備被植入在受損脊椎兩側的脊柱內神經被阻斷的地方。受損脊柱兩側內的植入電極施加一個直流電場,該電場刺激神經元沿著電場方向生長。

因為神經元有電子極化現象,當神經元的一端順著電場方向生長時,另一端便會壞死。因此,這種新療法的一個難題是脊椎內的運動神經和感應神經元分別有不同的方向。但Borgens的一位同事發現,壞死過程僅當電場施加1小時後才開始,而新神經生長過程則馬上開始。所以,透過將電場極性每15分鐘改變一次的方法,便解決了這個問題,並只啟用兩個方向的生長過程。

該療法另一個利多消息是透過疤痕組織與自主接,便能容易地生長神經。

Borgens與他的一些同事曾以動物的神經再生進行生物學研究。“透過研究能再生神經的動物,你能學到許多東西,”他說。這些動物“透過受傷疤痕組織生長神經,並進行我們所謂的不適當的連接:這些連接從不正確,也從未在正常條件下建立起來。但你將發現大腦能透過不恰當的連接實現恰當的行為。”

腦和脊柱的可塑性

“我們的大腦和脊椎神經具有難以置信的可塑性,因而可為殘障人士帶來希望,”Borgens補充說。“我們必須著手開始這個過程;另外,我不相信奇蹟,但這是個起點,而且我們的系統是目前唯一一款具有這種功能的產品。”

採用該方法的實驗顯示,能修復脊椎受傷者的某些基本運動神經功能。Cyberkinetics開發的初始系統透過繞過脊椎而在大腦和肌肉間建立聯繫,可能用以補足這種新療法。將這兩種技術整合在一起,將可在協助癱瘓病人重建控制自己身體能力等方面取得突破性進展。

Borgens表示,他並不奢望在有生之年看到脊椎損傷的人能完全恢復能力,但對患者來說,任何功能的恢復都是令人驚奇的進步。

“若你與四肢癱瘓者交談,你會發現站起來走路對他們來說不是最重要的,”他說。“對他們來說,僅能伸出手拿起水杯送到嘴邊就是個了不起的能力。”

作者:博才




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