假肢手也要有感覺

作者丨Soma（中科院神經科學研究所）

在日常生活中，我們每時每刻都在享受靈巧的雙手給我們帶來的便利：玩手機，寫論文，都需要精妙的運動控制才能實現。在與人交流的過程中，我們也會引入手勢來表達更多的信息。這足可見雙手無論是在實際使用，還是在我們的人際交往中，都具有舉足輕重的地位。然而，肢體殘障人士在社會中並不少見。根據中國殘疾人聯合會2010年的抽樣調查結果，我國有2472萬肢體殘疾患者注，手部肢體殘疾是其中的一個小類。這些患者有的是先天發育問題：一出生便是畸形的雙手，或是由於神經系統發育不全導致的運動障礙。有的則是因為後天各種各樣的原因，失去了雙手。對於絕大部分截肢患者，失去雙手給他們帶來的不便會伴隨一生，正常的工作與生活將成為一種奢望。

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作者：Ronn Beams

可惜，現有的醫學水平無法完全治癒手部肢體殘疾患者。雖然自體的肢體修復仍然保有重建手部功能的希望，但很多截肢患者已經失去自己原配的手部，只能選擇異體移植。然而，異體肢體移植僅能重建有限的功能。非自體發育而來的雙手，其神經纖維對手部肌肉的支配方式與原配存在差異，所以手部的異體移植均有不同程度的體感(Somatosensory)喪失，靈活性也受到影響。另外，截肢患者在忍受較差的使用體驗的過程中，還要承擔免疫排斥的高風險。事實上，與肝移植，腎臟移植不同，手的異體移植難以尋找合適的供體，生物技術目前也沒能找到製造可替代人手的好辦法。即使找到了供體，高昂的醫療費用也會令患者面臨更艱難的抉擇。因此，安裝機械假肢成為了一個解決截肢患者生活中的不便的最理想方案。機械假肢通過將電極貼在皮膚表面或植入肌肉的方式，可以記錄肌肉中由眾多運動單元(Motor unit)共同放電的肌電信號(Electromyography，EMG)，通過對EMG進行信號處理和解碼，就能生成控制假肢手的運動指令，從而可以用一個易獲得的機械手來替代失去的手部進行操作。可是現有假肢手的使用體驗與真實手掌差距過大，造成了神經假肢有很高棄用率，患者寧可保持原來的生活習慣，也不願意使用機械假肢。

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雖然假肢手已經儘可能模擬真實的運動操作，為什麼假肢手的表現仍然不好呢？運動控制的神經機制能給我們提供一些線索。1995年Michael Jordan等人發現在伸手運動中，人對手部運動狀態的估計，需要根據自身的運動指令和手臂的感知覺反饋進行共同評估(Estimation)[1]。伸手一行為範式(Paradigm)給出了一個很好的運動感知覺整合(Sensorimotor Integration)的實例，進一步說明了：在中樞神經系統中，精確運動指令的生成依賴於感覺系統的反饋。對大腦皮層的連接組學研究也給這樣的解釋提供了支持：運動相關區域與感知覺相關區域存在著廣泛的投射，說明這兩個區域進行著頻繁的信息交換。另外，在運動控制中扮演重要角色的小腦(Cerebellum)也會通過苔蘚纖維(Mossy fiber)和爬行纖維(Climbing fiber)接受感覺信號的傳入，這也表明感覺信息對運動控制相關的神經系統是極為重要的。在神經生理學方面，有多篇文章報道非人靈長類運動相關區域的神經元信號存在同時編碼感知覺信息的現象。這些研究均表明，在你感受到冷，熱，觸，痛以及本體感覺(Proprioception)的時候，這些感覺信息在你無意識的情況下，也「打包」了一份傳給了腦中運動相關的神經系統，用來生成可靠的運動指令。而截肢患者在使用假肢手的過程中，體感的缺失，令大腦對運動指令的生成產生了障礙，無法產生正確的EMG信號來控制假肢手，這便是影響其使用的一個潛在原因。

位於額葉與頂葉的各個腦區，通過互相的信息交流，構成了一個複雜網路，多腦區共同完成，這很好的說明了運動皮層在編碼運動指令的過程中，也接受著來著外界的感知信息。

圖片來源：Caminiti R, et al., 2017, eNeuro

然而，目前能夠完全模擬體感的假肢手是不存在的。但研究人員正在從這個方向一點點的進行改良，儘可能讓機械假肢產生的體感更加接近真實的人手。要設計這樣一個「以假亂真」的假肢手，我們可以人為製造「觸覺」信號，並送入截肢患者的大腦中。要實現這樣的技術路線，必須要弄明白一個問題，產生觸覺的神經機制是什麼？

從外周神經系統和皮膚感受器的研究，我們可以得到答案：人們通過皮膚的形變來感知物體的形狀，大小，重量，密度，剪切力等。而人手部皮膚的機械感受器(Mechanoreceptors)能感受來自皮膚的機械壓力和形變，並將信號傳入我們的大腦。這種在神經纖維上遊走的電信號被稱為動作電位，它的發放模式(firing pattern)會傳入中樞神經系統，經過皮層軀體感覺區域(Somatosensory areas)和丘腦(Thalamus)的處理，產生我們所認知的觸覺。因此通過刺激傳入神經(Afferent fiber)來模擬觸覺，成為了改良假肢手的一個技術路線。

皮膚的機械感受器能感受皮膚形變，從神經纖維傳入動作電位，圖示為四種位於皮膚的機械感受器及其產生的發放模式，這些動作電位將會傳入中樞神經系統來產生觸覺。圖片來源：Kandel E.R. et al., 2013, Principles of Neural Science, 5th edition

原理是搞明白了，應用到假肢手可不容易。2017年，Bensmaia實驗室使用了模擬神經元膜電位變化的整合發放模型(Leaky integrate-and-fire model)來擬合獼猴手部觸覺刺激產生的正中神經與尺神經上的動作電位，成功掌握了將皮膚形變轉換成觸覺輸入信號的編碼方式[2]。次年10月，洛桑理工學院，義大利聖安娜高等研究學院，聖心天主教大學三所院校合作，終於在神經元(Neuron)雜誌上發表了具有人造觸覺的神經假肢[3]，他們通過電極放電刺激外周神經纖維來給大腦皮層傳入觸覺信號，而刺激模式使用的正是Bensmaia教授的數學模型。從實驗結果來看，無論是被試在項目中的表現，還是使用者的實際體驗，都表明這款新式的假肢手能極大的改善截肢患者的生活狀態，一些被試甚至在一定程度認為假肢手是自己原本的手，大大突破了現有假肢使用體驗的瓶頸。

電極植入傳入神經纖維的示意圖。圖片來源：Raspopovic S. et al., 2014, Sci. Transl. Med

這樣的進步是令人興奮的，能模擬觸覺反饋的神經假肢為改善截肢患者的生活水平提供了新的可能，也證明了結合腦科學研究的神經假肢是機械假肢的一個可取的發展方向。然而僅有觸覺反饋的假肢手還遠不能完全替代原本的手臂，解決截肢患者的痛苦。但是這也只是目前運動控制研究的冰山一角，還有很多的腦科學的研究結果可被應用在假肢手設計上。本文篇幅有限，暫不一一介紹。隨著對腦科學的研究，我們對「理解腦，保護腦和模擬腦」的理解更加深入，在未來也能設計出更能解碼大腦運動意圖的神經假肢來響應我們自主生成的精巧運動指令，達到真正的「意念控制」。期待在不久的將來，神經假肢能完全解決截肢患者的痛苦，甚至更進一步，達到「增強人類」的效果，讓科幻電影中的橋段變成現實。

REFERENCES

1.Wolpert DM, Ghahramani Z, Jordan MI. An internal model for sensorimotor integration. Science (80 ). 1995. doi:10.1126/science.7569931

2.Saal HP, Delhaye BP, Rayhaun BC, Bensmaia SJ. Simulating tactile signals from the whole hand with millisecond precision. Proc Natl Acad Sci. 2017. doi:10.1073/pnas.1704856114

3.Valle G, Mazzoni A, Iberite F, et al. Biomimetic Intraneural Sensory Feedback Enhances Sensation Naturalness, Tactile Sensitivity, and Manual Dexterity in a Bidirectional Prosthesis. Neuron. 2018. doi:10.1016/j.neuron.2018.08.033

注:

數據來源：中國殘疾人聯合會 http://www.cdpf.org.cn/sjzx/cjrgk/201206/t20120626_387581.shtml

封面圖片來源https://500px.com/photo/15244701/neuroprosthetics-by-sebastian-lehmann?ctx_page=2&from=search&ctx_q=robotic+hand&ctx_type=photos&ctx_sort=pulse，作者：Sebastian Lehmann

本文部分背景知識參考Kandel E.R. et al., 2013, Principles of Neural Science, 5th edition

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