腦機介面，脊髓損傷復健的新希望－2

之前介紹過一個巴西研究，利用腦機介面神經復健治療，協助下半身癱瘓的脊髓損傷患者回復下半身的運動控制功能(舊文連結)。今天來介紹一個相關的新研究：這個新研究以「皮質內腦機介面」（intracortical brain–computer interface，iBCI)搭配手臂的「功能性電刺激」（functional electrical stimulation，FES），歷經一段時間的訓練後，成功地讓一位四肢癱瘓的脊椎損傷患者順利拿起杯子喝咖啡、舀馬鈴薯泥吃。

腦機介面+功能性電刺激系統示意圖。
圖片取自Ajiboye等人2017論文。

患者是一位現年53歲，因交通事故而導致四肢癱瘓已達八年時間的男性，比爾（Bill Kochevar）。在受傷後，比爾的頸部以下只有肩膀可以產生一點點動作，但這一點點動作根本沒法幹嘛，所以比爾完全無法自行移動自己的手。在這個研究中，研究者先是開刀在比爾的大腦運動皮質上，負責上肢動作的區域植入微電極陣列。第二步則是在他的右上臂、前臂植入電極，好刺激上臂、手臂、手腕、手掌的肌肉，才能讓肌肉收縮、產生動作。

影片中可以看到比爾自己拿東西吃、拿杯子喝飲料，也可以看到他談論參與這個研究的一點心得。附帶一提，因為肌肉力量不足，所以還是需要架子支撐手的重量。

那當然不是只要植入這些電極後就可以翹腳撚喙鬚，馬上就可以恢復動作，還需要一連串的訓練。在訓練的過程中，研究者先是讓比爾觀看動畫，動畫內容是一隻手在做多種不同的動作，包括像是彎曲、伸直手肘；擺動手腕；握拳、張開手指等。比爾看到動畫中的虛擬手臂做什麼動作，他就必須在腦海裡試著做出同樣的動作，而腦機介面會負責記錄比爾的大腦運動皮質在做每一個動作時的神經活動。接著比爾開始練習控制動畫中的虛擬手臂，腦機介面會將比爾的運動皮質訊號傳送到虛擬手臂，虛擬手臂便即時做出相對應的動作。在反覆的循環之中腦機介面不斷修正，最終才能讓虛擬手臂精準地做出比爾所想的動作。最後一步便是透過刺激肌肉，讓比爾的手做出實際的動作。

腦機介面和功能性刺激系統合作的流程可以理解成這樣：比爾想像自己要做出的動作→腦機介面偵測運動皮質的神經活動，解讀比爾想做的動作→腦機介面傳遞訊號至手臂的功能性電刺激系統，系統依序刺激不同肌肉的運動神經元→比爾的手做出動作。

一次控制一個關節不容易，一次同時控制兩個以上的關節更是不簡單，更困難的是控制它們做出具有功能性的動作，因為這還要精準計算各條肌肉收縮放鬆的時間點。比方說喝咖啡這個看似簡單的動作，可以粗略拆解成幾個步驟：首先要把手肘伸直→在手碰到杯子前就得把手張開→等手伸到了杯子邊時必須彎曲手指握住杯子→彎曲手肘把杯子舉回嘴邊用吸管喝咖啡（還不能不小心把手鬆開）→喝完了以後要再次伸直手肘→等手到了特定位置時把手張開讓杯子回到桌上→最後再彎曲手肘把手縮回起始位置。光是喝口咖啡就可以把步驟列得落落長，其實一點也不簡單呀。

這是2016年Bouton等人的實驗裡面的患者。

去年（2016）有個類似的研究，病患是一位24歲四肢癱瘓的脊髓損傷患者。在該研究中，研究者一樣也是在病患的運動皮質上植入電極陣列，再搭配手腕上的神經肌肉刺激，成功讓病患的手腕、手指頭依照他自己大腦所發出的訊號做出多種不同的動作。他甚至能做出拿起罐子、把罐子裡的液體倒到杯子裡、再拿攪拌棒攪拌杯子裡的液體等一連串的複雜動作。

希望這個方法能繼續發展下去，讓更多癱瘓的病患可以受惠，讓他們得以獨立完成更多日常生活作業。

Ajiboye, A. B. et al. Restoration of reaching and grasping movements through brain-controlled muscle stimulation in a person with tetraplegia: a proof-of-concept demonstration. The Lancet doi:10.1016/S0140-6736(17)30601-3

Bouton, C. E. et al. Restoring cortical control of functional movement in a human with quadriplegia. Nature 533, 247–250 (2016).