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如何用你的大腦控制他人的手?神經肌肉電訊號的神奇應用

楊昀霖
・2018/03/06 ・2598字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 504 ・六年級

還記得動畫哆啦A夢裡各種天馬行空的道具嗎!?小時候總覺得這些超乎現實的功能十分酷炫,而其中有一項道具──人體遙控器,就是藉由操作搖桿來控制其他人的動作,聽起來有點小邪惡,但確實是一個非常令人夢寐以求的道具呢~(笑)

圖:翻攝自哆啦A夢

不過你知道嗎?現在真的可能可以操控別人的動作!

隨著科技日新月異,其實這個技術已經在現實世界中能夠實現了,雖然說沒辦法像動畫情節中一樣,拿出遙控器按按鈕就可以直接無線操控別人,但只要透過簡單的小儀器就能夠達到操控他人肢體動作的目的喔!

神經科學家 Greg Gagey 在 TED-Talk 的演說上,邀請兩位自願者上台後,將裝置分別裝在兩個人的手臂上,Greg Gagey請女性自願者動一動她的手腕後,在旁邊的男性自願者手腕竟然真的自己動起來了!(影片5分00秒)某種程度上來說,就是直接操控別人的動作,這究竟是怎麼一回事呢?

在了解操控他人身體動作的奧秘之前,讓我們先了解一下,我們是怎麼控制自己肢體動作的。

肢體運動的生理機制:神經肌肉電訊號 EMG

當我們想要伸出手拿起水杯、當我們想要跨出大腿向前走一步的時候,大腦神經內會先運算出「動作計畫」,就像是編寫出執行動作的程式碼,接著動作訊號從大腦發出,經過身體上的神經網路,將訊號傳遞到手臂的肌肉組織,當肌肉組織接收到動作訊號的時候,就會開始收縮帶動肢體關節,做出我們大腦命令肢體做出來的動作!

讓我們再回頭看看神經科學家 Greg Gagey 在 TED-Talk 的影片,他在兩位自願者手上分別裝上了感測貼片(4分43秒),並與連接儀器連接,看來「玄機」就在這裡。
其實我們人體的神經傳遞訊息就是依靠神經電位差,當神經細胞受到刺激時就會產生動作電位並傳遞出去。剛剛提過的大腦的動作訊息,藉由身體上的神經網路傳遞到肢體上的肌肉組織時,皮膚表皮可以收集到電位差,也就是神經肌肉電訊號(Electromyography,簡稱 EMG)。

圖由 Sandy Roberts 拍攝,刊登於此

現在我們已經知道控制肌肉動作的就是由肢體上的神經傳過來的電訊號,如果我們收集到訊號後,傳送一樣的電刺激到另一個人的手上呢!?

用電刺激讓你的手動起來!

再一次回到影片一開始(影片2分50秒),只要女性自願者的手腕一動,儀器立刻顯示感測到神經肌肉電訊號(EMG)。當神經科學家 Greg Gagey 邀請男性自願者上台後,再一次請女性自願者做動作,此時儀器馬上傳送電刺激到另一外男性自願者的手上,男性自願者手上的肌肉受到刺激後就會開始收縮,所以他的手就會不由自主地動起來!(影片5分00秒)

 

(影片5分00秒)

那為什麼當 Greg Gagey 去搬動這位女性的手的時候,男性自願者的手卻又完全沒反應呢?(影片5分30秒)這是因為由於手腕是被別人、被外力移動的,自己並沒有產生主動動作的「想法」,大腦也沒有發出神經訊號,所以當然儀器就不會發出電刺激使男性自願者的手腕動起來囉~

那麼人體遙控器真的可以實現囉?

根據剛剛的說法,當肌肉受到外來的電刺激,就會啟動收縮的機制並產生動作!所以如果真的有一個儀器連結全身的肌肉,藉由遙控器操作的話,確實是可能製造出一個可以用來控制一個人的全身肢體動作的遙控器~

但人體的肌肉還挺複雜的,而且控制其他的人身體肯定會有道德與法律上的問題~但是未來還是有可能實現的!

不過下面這部影片也許可以滿足你的控制欲望,但前提你需要先接受……蟑螂這個人人喊打的小生物。目前已經有人成功將蟑螂的神經與儀器連接,並使用 APP 遙控(影片3分30秒),地板上的小蟑螂就像玩具遙控車一樣被操控,是不是真的很神奇呢?

神經科學在醫學領域的應用

在醫學上,神經肌肉電訊號可以用來檢測神經肌肉的功能,如果訊號異常就可以懷疑組織是否病變。肌肉電刺激則是用來刺激肌肉收縮,針對神經、肌肉系統損傷的患者,達到放大肌肉收縮力道的加乘效果!

還記得最一開始的影片嗎?Greg Gagey 利用感測貼片接收女性的神經肌肉電訊號(EMG)之後,再對另一位男性自願者的手部進行肌肉電刺激。如果接收到神經肌肉電訊號(EMG)之後,針對同一個人進行電刺激的話會有甚麼效果呢?

中風後的患者,因為大腦神經損傷造成,所以發出來的動作訊號可能不足或是有異常,無法徵召適當的肌肉產生動作,這時候我們可以藉由感測貼片讀取肌電波,電腦系統讀取後,發出適量的電刺激幫助中風患者的肢體完成動作,透過儀器的幫助與不斷地練習,可以幫助中風患者的大腦更快速重新學習掌握肢體控制的能力!

除了上述使用電刺激以外,神經肌肉電訊號(EMG)還可以如何應用於復健的領域呢?!

結合遊戲讓復健更有效率又不無趣!

在影片中可以看到,玩家將肌肉電極貼片黏貼在手上,透過晶片控制器可將感測到的神經肌肉電位訊號,再透過晶片轉換為電腦控制訊號,當我們用大腦控制肌肉收縮的時候就可以操作電腦遊戲了!

平常我們只能依靠視覺(眼睛看)、本體覺(感受自己身體關節彎曲的程度、肌肉收縮的感覺),來得知肢體動作的執行的情況,例如說我們將手伸出去拿起桌上的水杯時,可以透過眼睛觀察來調整手伸出去的距離與高度,而本體覺可以幫助我們感受到肩膀、手肘、手腕、以及手指各個小關節彎曲的程度來調整手的動作。

透過神經肌肉電訊號(EMG)感測我們可以透過儀器測量,量化肢體肌肉收縮的程度,透過電腦的數據顯示,我們可以更了解這些身體變化,並可以藉此練習更精準地控制自己的肌肉與肢體,也就是生物回饋訓練(Biofeedback Training)。再結合控制晶片,將感測到的神經肌肉電訊號(EMG)轉化成電腦遊戲的控制訊號,就可以達到邊遊戲邊復健的目的囉~是不是十分有趣呀!

如果還想了解更多EMG在復健治療的應用,可以參考此篇:幫助中風病人重獲新生的鋼鐵人手套

一個由人、感測器及處理器組成的反饋環,可以作為生物回饋的訓練。 圖/By Marek Jacenko [CC BY-SA 3.0], via Wikipedia Commons

參考資料:

感謝劉仁凱提供建議、協助編纂此文。

文章難易度
楊昀霖
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一個正在攻讀研究所的職能治療師(occupational therapist, OT),希望以科學的角度推廣職能治療專業以及相關復健知識,讓更多人認識並加入職能治療專業!


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研究指混打 AZ 與 BNT 疫苗效果拔群!感染率比接種 2 劑 BNT 更低

台灣科技媒體中心_96
・2021/10/22 ・2347字 ・閱讀時間約 4 分鐘

2021 年 10 月 21 日,國際期刊《自然》(Nature)公開一篇法國里昂國際傳染病研究中心(Centre International de Recherche en Infectiologie Lyon, CIRI)的研究,探討混合施打 AZ 與 BNT 兩種不同廠牌的新冠疫苗後,產生細胞免疫的特性與效果。研究觀察 13,121 名護理人員的真實世界數據,發現混打 AZ 與 BNT 疫苗,比起施打兩劑 BNT 疫苗,可更好的預防新冠病毒引起的嚴重急性呼吸系統綜合症。

研究團隊為瞭解混打這兩種疫苗的機制,觀察兩種疫苗不同的施打組合,發現兩種組合都可以引起很強的抗體反應,而混打疫苗的個體,血清中抗體都有更強的中和能力。此增強的效果,與轉化、活化 B 細胞辨認新冠病毒受體結合區域(Receptor Binding Domain, RBD)的頻率上升有關。

比起第一劑的 BNT 疫苗,AZ 疫苗引起的 IgG 反應較弱,但引起 T 細胞的反應更強,作者認為這可解釋兩種疫苗混打後效果較好的原因。研究結論也提到,混打的方式可能特別適合免疫功能較低下的人。

我們對於混打的瞭解有多少?

國家衛生研究院感染症與疫苗研究所副研究員級主治醫師齊嘉鈺表示,先前許多針對疫苗混打的研究規模比較小,參與人數大多僅數十人到數百人;研究方向著重在免疫反應的差異,而非真實世界的保護力;實驗方法也有限制,例如,分析中和抗體時所用的是替代指標或是人工假病毒中和試驗,而非活的新冠病毒,因此對預測真實臨床病毒的中和能力仍然會有一些疑慮。

最近有另一篇剛剛發表刊登在 Lancet 的報告,是來自瑞典全國性大規模的疫苗混打研究結果,該研究總計納入超過 10 萬名接受 ChAd(腺病毒載體)/mRNA 疫苗混打者與 43 萬名完成兩劑都是接種 ChAd 疫苗者進行保護力的分析。結果發現,疫苗混打組確實對有症狀感染具有更高的保護效果,但是並未深入剖析相關的免疫機制。

齊嘉鈺指出,本文是來自法國的研究,對象是 1 萬 3 千多名醫護人員,其中 2,500 多名接受混打(ChAd/BNT),另外 1 萬多名兩劑皆施打輝瑞 BNT162b2 疫苗。相較於其它文獻,這一篇研究除了分析對感染的保護力差異外,更清楚探討混打疫苗所誘發的免疫機制。

感染率比較:混打組 0.42% < 0.71% 兩劑BNT

台灣兒童感染症醫學會理事長邱南昌指出,研究比較 10,609 名間隔四週施打兩劑 BNT 疫苗,和 2,512 名第一劑施打 AZ 疫苗 12 週後第二劑改用 BNT 疫苗者,發生 COVID-19 感染的情形,以及免疫系統的反應情形。兩劑都打 BNT 疫苗組感染的發生率是混打組的兩倍(0.71% 比 0.42%)。作者還檢驗了多種免疫反應,只打完第一劑後,AZ 疫苗產生的抗體濃度較 BNT 疫苗低;但施打完兩劑後,有些抗體濃度就相似,有些則是混打組較高;在記憶細胞方面,混打組也產生較多。

邱南昌表示,這些免疫反應,可以解釋為何混打的人,能夠降低更多的感染風險。對於變種病毒也是混打組有較好的免疫反應。與過去只是驗抗體濃度,此篇有現實世界的資料,也較之前研究做了更深入的免疫反應檢驗,證實第一劑 AZ 疫苗第二劑 BNT 疫苗,可以得到比兩劑都打 BNT 疫苗更好的效果。

輝瑞 BNT 疫苗。圖/Wikipedia

混打後的免疫反應能維持多久?仍未有結論

邱南昌也說,此篇沒混打組的兩劑 BNT 疫苗是間隔四週,但混打組兩劑間是間隔 12 週。之前的資料就顯示第二劑間隔較久才施打,產生的抗體濃度較高。但由此研究檢驗多種免疫反應的結果看來,時間間隔應不是唯一理由,還有其他可顯示有混打對免疫反應增強的理由。此外,不同地區不同的流行狀況,會影響保護力的研究結果,但免疫反應應是差不多。

齊嘉鈺則補充,研究對象都是醫護人員,因此結果要外推到其他一般大眾,包括更廣的年齡層、潛在疾病等,還需要更多的證據;工作性質不一樣的醫護人員之間暴露於病毒的風險也不同,也可能影響兩組疫苗保護力的結果;免疫機制的實驗僅追蹤至施打完第二劑後 4 週,所以,混打後的免疫反應能維持多久、何時會降低、需不需要再追加第三劑,也還沒有結論。

若開放混打,我該衝一波嗎?

本文有幾項重要結論:

  1. 兩劑間隔 12 週,有順序的混打(ChAd/BNT)疫苗確實比間隔 4 週施打兩劑 BNT 疫苗對降低感染提供更好的保護力。
  2. 兩種組合都刺激了很強的抗棘蛋白抗體反應,但混打可以誘發更強的中和抗體,即使是針對不同的 SARS-CoV-2 變種病毒。這種增強的中和抗體反應與可以辨識受體結合區域(RBD)的記憶 B 細胞持續的成熟及活化有關。
  3. 第一劑施打 ChAd 疫苗後比 BNT162b2 疫苗誘發的抗體反應弱,但卻有更強的 T 細胞反應,可以解釋兩種疫苗混打使用時的互補性。

這個結果再一次為混打疫苗的保護力提出更多的科學證據,同時也特別對一些免疫功能低下,如器官移植的患者,提供更好的疫苗接種選擇建議。

COVID-19 有多種疫苗,陸續有研究顯示混打可能誘發不同免疫反應,得到比單一疫苗更好的保護力。但是疫苗種類繁多,混打方式的排列組合更多樣,目前只有少數方式有確切數據可驗證。

我國根據我們各種疫苗的供應量和已經發表的研究資料,有可能會逐漸開放准許混打的種類。但是就本研究的資料看來,即使不混打也仍得到相當不錯的保護力。所以其實也不必執著於是否要混打,有什麼疫苗能打就打什麼,反而是最簡單的選擇。

研究文獻

※為了盡快了解研究的重大發現,此為 Nature 期刊提供的未經編輯文章,在最終發布完稿之前,研究者還可能修正文章內容。

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台灣科技媒體中心_96
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