0

0
0

文字

分享

0
0
0

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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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)

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

 

(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?

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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?!

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

參考資料:

感謝劉仁凱提供建議、協助編纂此文。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
文章難易度
楊昀霖
5 篇文章 ・ 1 位粉絲
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!

0

0
0

文字

分享

0
0
0
為什麼越累越難睡?當大腦想下班,「腸道」卻還在加班!
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2026/04/30 ・2519字 ・閱讀時間約 5 分鐘

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

本文與  益福生醫 合作,泛科學企劃執行

昨晚,你又在床上翻來覆去、無法入眠了嗎?這或許是現代社會最普遍的深夜共鳴。儘管換了昂貴的乳膠枕、拉上百分之百遮光的窗簾,甚至在腦海中數了幾百隻羊,大腦的那個「睡眠開關」卻彷彿生鏽般卡住。這種渴望休息卻睡不著的過程,讓失眠成了一場耗損身心的極限馬拉松 。

皮質醇:你體內那位「永不熄滅」的深夜警報器

要理解失眠,我們得先認識身體的一套精密防衛系統:下視丘-垂體-腎上腺軸(HPA axis) 。這套系統原本是演化給我們的禮物,讓我們在面對劍齒虎或突如其來的危險時,能迅速進入「戰鬥或快逃」的備戰狀態。當這套系統啟動,腎上腺就會分泌皮質醇 (壓力荷爾蒙),這種荷爾蒙能調動能量、提高警覺性,讓我們在危機中保持清醒 。

然而,現代人的「劍齒虎」不再是野獸,而是無止盡的專案進度、電子郵件與職場競爭。對於長期處於高壓或高強度工作環境的人們來說,身體的警報系統可能處於一種「切換不掉」的狀態。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

在理想的狀態下,人類的生理時鐘像是一場精確的接力賽。入夜後,身體會進入「修復模式」,此時壓力荷爾蒙「皮質醇」的濃度應該降至最低點,讓「睡眠荷爾蒙」褪黑激素(Melatonin)接棒主導。褪黑激素不僅負責傳遞「天黑了」的訊號,它還能抑制腦中負責維持清醒的食慾素(Orexin)神經元,幫助大腦順利關閉覺醒開關。

對於長期處於高壓或高強度工作環境的人們來說,身體的警報系統可能處於一種「切換不掉」的狀態 / 圖片來源:envato

然而,當壓力介入時,這場接力賽就會變成跑不完的馬拉松賽。研究指出,長期的高壓環境會導致 HPA 軸過度活化,使得夜間皮質醇異常分泌。這不僅會抑制褪黑激素的分泌,更會讓食慾素在深夜裡持續活化,強迫大腦維持在「高覺醒狀態(Hyperarousal)」。 這種令人崩潰的狀態就是,明明你已經累到不行,但大腦卻像停不下來的發電機!

長期的睡眠不足會導致體內促發炎細胞激素上升,而發炎反應又會進一步活化 HPA 軸,分泌更多皮質醇來試圖消炎,高濃度的皮質醇會進一步干擾深層睡眠與快速動眼期(REM),導致睡眠品質變得低弱又破碎,最終形成「壓力-發炎-失眠」的惡行循環。也就是說,你不是在跟睡眠上的意志力作對,而是在跟失控的生理長期鬥爭。

從腸道重啟好眠開關:PS150 菌株如何調校你的生理時鐘

面對這種煞車失靈的失眠困局,科學家們將目光投向了人體內另一個繁榮的生態系:腸道。腸道與大腦之間存在著一條雙向通訊的高速公路,這就是「菌-腸-腦軸 (Microbiome-Gut-Brain Axis, MGBA)」,而某些特殊菌株不僅能幫助消化、排便,更能透過神經與內分泌途徑與大腦對話,直接參與調節我們的壓力調節與睡眠節律。這種菌株被科學家稱為「精神益生菌」(Psychobiotics)。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
腸道與大腦之間存在著一條雙向通訊的高速公路,這就是「菌-腸-腦軸 (Microbiome-Gut-Brain Axis, MGBA)」/圖片來源:益福生醫

在眾多研究菌株中,發酵乳桿菌 Limosilactobacillus fermentum PS150 的表現格外引人注目。PS150菌株源於亞洲益生菌權威「蔡英傑教授」團隊的專業研發,累積多年功能性菌株研發經驗的科學成果。針對臨床常見的「初夜效應」(First Night Effect, FNE),也就是現代人因出差、換床或環境改變導致的入睡困難,俗稱認床。科學家在進行實驗時發現,補充 PS150 菌株能顯著恢復非快速動眼期(NREM)的睡眠長度,且入睡更快,起床後也更容易清醒。更重要的是,不同於常見的藥物助眠手段(如抗組織胺藥物 DIPH)容易造成快速動眼期(REM)剝奪或導致睡眠破碎化,PS150 菌株展現出一種更為「溫和且自然」的調節力,它能有效縮短入睡所需的時間,並恢復睡眠中代表深層修復的「Delta 波」能量。

科學家發現,即便將 PS150 菌株經過特殊的熱處理(Heat-treated),轉化為不具活性但保有關鍵成分的「後生元」(Postbiotics),其生物活性依然能與活菌媲美 。HT-PS150 技術解決了益生菌在儲存與攝取過程中容易失去活性的痛點,讓這些腸道通訊員能更穩定地發揮作用 。

在臨床實驗中,科學家觀察到一個耐人尋味的現象:當詢問受試者的主觀感受時,往往會遇到強大的「安慰劑效應」,無論是服用 HT-PS150 還是安慰劑的人,主觀上大多表示睡眠變好了。這種「體感上的進步」有時會掩蓋真相,讓人分不清是心理作用還是真實效益。

然而,客觀的生理數據(Biomarkers)卻揭開了關鍵的差異。在排除主觀偏誤後,實驗數據顯示 HT-PS150 組有更高比例的人(84.6%)出現了夜間褪黑激素分泌增加,且壓力荷爾蒙(皮質醇)顯著下降,這證明了菌株確實啟動了體內的睡眠調控系統,而不僅僅是心理安慰。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

最值得關注的是,對於那些失眠指數較高(ISI ≧ 8)的族群,這種「生理修復」與「主觀體感」終於達成了一致。這群人在補充 HT-PS150 後,不僅生理標記改善,連原本嚴重困擾的主觀睡眠效率、持續時間,以及焦慮感也出現了顯著的進步。

了解更多PS150助眠益生菌:https://lihi3.me/KQ4zi

重新定義深層睡眠:構建全方位的深夜修復計畫

睡眠從來就不只是單純的休息,而是一場生理功能的全面重整。想要重獲高品質的睡眠,關鍵在於為自己建立一個全方位的修復生態系。

這套系統的基石,始於良好的生活習慣。從減少睡前數位螢幕的干擾、優化室內環境,到作息調整。當我們透過規律作息來穩定神經系統,並輔以現代科學對於 PS150 菌株的調節力發現,身體便能更順暢地啟動睡眠開關,回歸自然的運作節律。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

與其將失眠視為意志力的抗爭,不如將其看作是生理機能與腸道微生態的深度溝通。透過生活作息的調整與科學實證的支持,每個人都能擁有掌控睡眠的主動權。現在就從優化生活型態開始,為自己按下那個久違的、如嬰兒般香甜的關機鍵吧。

與其將失眠視為意志力的抗爭,不如將其看作是生理機能與腸道微生態的深度溝通 / 圖片來源 : envato

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
文章難易度

討論功能關閉中。

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
247 篇文章 ・ 319 位粉絲
充滿能量的泛科學品牌合作帳號!相關行銷合作請洽:contact@pansci.asia

0

0
0

文字

分享

0
0
0
渺小如塵埃的果蠅大腦,藏著解開人類記憶與意識之謎的鑰匙
顯微觀點_96
・2026/03/20 ・2156字 ・閱讀時間約 4 分鐘

FlyWire 果蠅大腦50條大型神經元圖譜

2024年10月,神經科學的劃時代里程碑,成年雌果蠅完整大腦神經圖譜系列研究,發表在《自然》期刊(Nature)。此圖譜詳盡至果蠅腦中每一條神經的所有分支、每一個突觸的尺寸和型態,這樣的腦神經圖譜稱為「連接體」(connectome)。要繪製完整成熟雌性果蠅連接體,需要辨識近14萬個神經元(神經細胞)與其間的5千萬個突觸(不同神經元的連接處)。

「世上還沒有另一個如此複雜的成年動物全腦連接體。」

馬拉.莫西/普林斯頓大學神經科學研究所長

普林斯頓大學神經科學研究所長馬拉.莫西(Mala Murthy)、神經科學與電腦科學教授承現峻(Sebastian Seung)率領跨國科學團隊建造果蠅連接體雲端平台「FlyWire」,並在《自然》同時發表12篇論文,以《成熟大腦的神經連接圖》(Neuronal wiring diagram of an adult brain.)為旗艦研究,展現果蠅大腦的完整神經迴路,包含8453種神經元的構造與位置,其中4581種為本系列研究的新發現。

連接體開拓腦科學高速公路

有了詳細的腦神經地圖,科學家得以規劃嶄新的神經科學研究路徑,更加直接、詳盡地實驗神經構造與行為之間的關聯。例如,按圖索驥蒐集所有關於果蠅「剎車」動作的神經元,建構完整的動作神經網路,找出過往研究方式所遺漏的因素;或是利用果蠅連接體推論出「觀看」等動作的完整神經活動,捕捉新的神經科學現象。

生物資料科學家更進一步利用此完整連接體搭配演算法建立一個虛擬蠅腦,不僅完全重現神經元線路,更能及時推算各神經訊號的傳輸路徑與功能,模擬果蠅的真實腦內活動。接收初始訊號之後,這個虛擬蠅腦啟動一連串神經訊號,最後以運動神經元控制肢體作為結果,就像活生生的果蠅在對環境刺激進行反應。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

讓神經科學換檔加速的果蠅連接體,在「FlyWire」網站向公眾徹底開放。由公眾人力與人工智慧合力打造的龐大資料庫,現在平等地提供研究資源,科學界認為,FlyWire的完整度與開放性將大幅加速人類大腦的解密。

「蠅」來連接體學大躍進

人類大腦含有超過500億個神經元,形成上百兆個突觸,具備了人工智慧還無法達成的認知、思考與創造力。若能理解人腦的基礎運作方式,科學家有機會找到帕金森氏症等退化性腦部疾病的解藥,或是掌握思覺失調症等精神疾病的生理機制。甚至逐漸實現承現峻的科學狂想:以連接體科技上傳記憶與意識,讓人類達到永生。

發展四十年後,連接體學家終於掌握了果蠅大腦,這個器官最寬處不到0.75毫米,渺小如塵埃,其中蘊含的連接體奧秘卻超越過去累積的科學資料。以果蠅連接體完成博士學位的多肯沃(Sven Dorkenwald)比喻,果蠅連接體彷彿是一座茂密森林,神經元猶如樹木,可以透過根系彼此溝通。但在空間比例上,果蠅的某個視神經橫跨全腦連接雙眼,有如一棵紐約的樹木能夠和位在洛杉磯的樹木互通聲息。

相對「頭腦簡單」的線蟲與果蠅幼蟲缺少成年果蠅的複雜行為與反應,成年果蠅卻與人類共享許多認知功能與神經生理反應。例如:辨別同類、劃分地盤/食物、求偶交配等行為,以及時差、酒醉、咖啡因亢奮等特殊生理狀態。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
果蠅(Drosophila melanogaster)側面特寫
果蠅(Drosophila melanogaster)。圖片來源:André Karwath / Wikimedia Commons(CC BY-SA 2.5)

果蠅:當前最佳人腦模擬器

在動物行為領域,果蠅大腦與人類大腦面對許多相似的問題,如何前往目的地、判斷氣味來源、觀察周遭物體的移動,以及複雜的社會性行為,如歌唱求偶、爭奪資源;以及注意力與情緒調節等。從神經科學技術的現實面來看,果蠅大腦也是最適合進行全腦研究的複雜連接體,現有科技僅能對斑馬魚、小鼠的大腦進行分區重建。

「連接體研究需要夠複雜但體積不太大的腦,果蠅正好位在這個甜蜜點上。」

馬拉.莫西

莫西實驗室深入研究果蠅行為,發現果蠅的生存、繁殖行為蘊含複雜的模式。例如,雄果蠅演奏求偶時,會依照雌果蠅與它的距離改變演奏的音量與編曲,並追隨雌果蠅。運用FlyWire,莫西團隊清點雌果蠅中腦關於聽覺的600多個神經元與其突觸,辨認出20種新的神經元,發現其功能網路比過往所知更加複雜。

莫西團隊發現,雌果蠅聽覺迴路中,神經元的回饋訊號可以憑藉音訊特徵進行預測,未來可以據此模型預測真實雌果蠅對「情歌」的回應行為。或許我們深深自豪的音樂品味也刻劃在我們的腦神經細胞之間,只是和我們的連接體一樣,比果蠅的複雜萬倍。

在基因層面,果蠅與人類共享約60%的基因,包括學習、時差反應與唐氏症相關的基因。接近3/4的人類遺傳疾病能在果蠅DNA中找到對應的基因。因此,完整的成年果蠅連接體被視為通往人類大腦奧秘的橋頭堡。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

美國太空總署(NASA)在1947年將果蠅送上太空,作為地球生命前往太空環境的實驗品。牠們竟生還返地,為太空人開拓了道路。作為經典模式生物,果蠅相關研究獲得6項諾貝爾獎,生理學、神經科學與行為學領域已累積豐富資料,搭配完整連接體圖譜的跨領域研究,勢必能帶人類深入探索腦宇宙。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

討論功能關閉中。

0

1
0

文字

分享

0
1
0
為期刊拍張封面 顯微鏡下的科學魔法
顯微觀點_96
・2024/05/27 ・3016字 ・閱讀時間約 6 分鐘

本文轉載自顯微觀點

希爾思使用VS120拍攝,小鼠大腦矢狀切口上的染色圖像。圖片來源:EVIDENT|Olympus官網

「我開始拍攝美麗的影像是出於興趣,因為我喜歡神經科學圖像藝術性的一面。」

史蒂芬妮.希爾思(Stephanie Shiers)是美國德州達拉斯大學的認知神經科學家,她拍攝的顯微鏡影像曾被選作多本期刊的封面,包括《神經科學雜誌》 (The Journal of Neuroscience)、《科學轉化醫學》 (Science Translational Medicine)等。要怎麼做才能讓自己拍攝的作品登上期刊封面呢?

希爾思在 2019 年取得認知和神經科學博士學位,目前從事疼痛研究,以移植捐贈者的神經組織探索慢性疼痛的臨床前機制和治療方法。

最驕傲的時刻——影像獲選期刊封面

希爾思攻讀博士期間,當第一篇論文獲得刊登且拍攝的照片一同被選為封面發表時,是她最引以為傲的時刻。她表示,第一篇論文被發表本身已經很令人興奮,當時並未預期會獲選封面,「因為我只是基於我對神經科學藝術的熱愛,而拍攝漂亮的圖片」。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

事實上,論文中所有影像都使用 40 倍物鏡拍攝,但她後來決定使用 100 倍物鏡拍攝,以捕捉一些漂亮的影像,加以觀察。

「我能看到所有的樹突和軸突初始段,這看起來令人震撼!」當希爾思與她的指導教授分享時,教授鼓勵她投稿期刊封面,同時提交論文。

希爾思表示,在攻讀博士學位時,面對周遭的同行都非常專業,自己曾感到無所適從。然而,當成功的數據和封面影像出現時,過去辛勤的工作和壓力都值得了。

歷經徬徨 受科學魔法吸引踏上研究路

對於自己選擇踏入神經科學研究,並繼續攻讀博士、成為科學家,希爾思坦承自己也曾經歷徬徨。「因為不知道自己想做什麼」,希爾思大學時曾選了三個主修、一個副修。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

原想攻讀醫學院的希爾思,在接受緊急救護技術(EMT)訓練時,意識到自己不想當醫師。因此她又選了神經科學和歷史專業,因為她自認可能喜歡人文學科、可能想成為律師。

直到完成學士學位後希爾思仍不清楚自己的職涯方向。但當她加入校內實驗室時,發現自己「真的很喜歡」,進而申請進入加州大學戴維斯分校的 NeuroMab 研究機構(UC Davis/NIH NeuroMab facility),從事免疫組織化學的工作。

在這份工作中,希爾思研究進行免疫組織化學染色、抗體驗證,在顯微鏡下觀察「肉眼」看不見的東西。這時她意識到「科學是最我們所擁有,最接近魔法的東西」,也因此確認了職業道路——走上學術研究之路。

而現在對希爾思來說,最難忘的時刻莫過於帶領在實驗室掙扎的學生領略科學的奇妙。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

曾經有一名學生未受太多訓練,因此希爾思帶著她完成染色工作、教她操作共軛焦顯微鏡;而當學生第一次看到顯微鏡下的影像時,露出驚訝的表情。 「看到別人也能體驗到科學的神奇,真是太好了!」希爾思這麼說道。

Science Trans 1
圖片來源:擷自《Science Translational Medicine vol. 13, issue 595》封面

超敏通道

圖像顯示小鼠背根神經節表現瞬態受體蛋白 5 (TRPC5,紅色)編碼瞬時受體電位規範 5(TRPC5,紅色)、抑鈣基因相關胜肽(CGRP,綠色)、P2X3 受體(藍色)和神經絲蛋白 200(青色)的基因。

希爾思為〈Transient Receptor Potential Canonical 5 Mediates Inflammatory Mechanical and Spontaneous Pain in Mice.〉的共同作者。

本篇論文主要探討,多種原因引起疼痛超敏反應,其中 TRPC5 的活化增加了囓齒動物對疼痛的敏感性,而 TRPC5 通道也在人類感覺神經元中表現,因此研究認為 TRPC5 抑制劑可能可有效減輕患者的疼痛超敏反應。

拍科學藝術照 封面也可以很抽象

對於如何拍出「封面等級」的科學藝術照,希爾思也給出幾點建議。首先,她強調擁有適合的儀器至關重要,以降低信噪比和提升影像品質。

此外,研究者必須接受更多基礎訓練。她表示,過去自己雖操作過很多次顯微鏡,但主要使用明視野照明觀察。直到開始博士課程後學習神經解剖學、蛋白質定位等知識,使用免疫螢光染色最適當的卻是使用暗視野照明。因此持續接受培訓,了解如何正確使用顯微鏡也是非常重要的。

希爾思也建議,在實驗數據收集階段,就可預先規劃影像拍攝;一邊構思論文中需要使用的圖像和材料,如果材料和研究內容一致,就當場拍攝解析度更高的影像。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

她也鼓勵研究者不斷嘗試新事物,例如使用不同染劑(明視野病理染色劑、鈣染色劑等)與顯微鏡搭配,將更容易拍攝出引人注目的影像。

希爾思鼓勵研究者盡可能地投稿封面影像,並強調封面不必與數據收集所用的影像完全相同;甚至許多期刊封面的圖片可以是抽象的、不一定要和照片一樣真實。

物種特異性表達

以原位雜合技術(in situ hybridization,左)和空間轉錄(Spatial Transcriptomics,右)並置的人類背根神經節,用於描述感覺神經元轉錄譜的特徵。

痛覺受器是專門的感覺神經元,存在於背根神經節(DRG)和三叉神經節中,對生成最終疼痛感知的神經元信號至關重要。

希爾思為〈Spatial transcriptomics of dorsal root ganglia identifies molecular signatures of human nociceptors.〉的第二作者。

本篇研究試圖為人類疼痛受器生成等效訊息,利用空間轉錄數據識別痛覺受器的轉錄組特徵,並藉以識別物種間差異和潛在的藥物靶點。

Sciencetrans2022 1
圖片來源:擷自《Science Translational Medicine (vol. 14, issue 632》封面 
Jneurosci 3
圖片來源:擷自《The Journal of Neuroscience vol. 38, issue 33》封面

圖像為患有神經性疼痛的小鼠內側前額皮質神經元,紅色為 PV 陽性細胞小白蛋白陽性中間神經元(紅色)與軸突初始段標記(Ankyrin-G,綠色)和核標記(DAPI,藍色)的共同標記。

希爾思為〈Neuropathic Pain Creates an Enduring Prefrontal Cortex Dysfunction Corrected by the Type II Diabetic Drug Metformin But Not by Gabapentin〉的第一作者。

認知障礙是神經性疼痛的共病。本篇研究使用原治療糖尿病的藥物二甲雙胍,治療神經疼痛 7 天後出現逆轉,包括功能和解剖學出現變化,顯示該藥物或可老藥新用於治療神經性疼痛及其認知合併症。

參考資料

  1. https://www.olympus-lifescience.com/en/discovery/behind-the-lens-dr-stephanie-shiers-creates-cover-worthy-neuroscience-art/
  2. Sadler, Katelyn E et al. “Transient receptor potential canonical 5 mediates inflammatory mechanical and spontaneous pain in mice.” Science translational medicine vol. 13,595 (2021).
  3. Tavares-Ferreira, Diana et al. “Spatial transcriptomics of dorsal root ganglia identifies molecular signatures of human nociceptors.” Science translational medicine vol. 14,632 (2022).
  4. Shiers, Stephanie et al. “Neuropathic Pain Creates an Enduring Prefrontal Cortex Dysfunction Corrected by the Type II Diabetic Drug Metformin But Not by Gabapentin.” The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience vol. 38,33 (2018).

查看原始文章

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

討論功能關閉中。

0

0
0

文字

分享

0
0
0
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?

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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~

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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!

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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!

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
-----廣告,請繼續往下閱讀-----
文章難易度
楊昀霖
5 篇文章 ・ 1 位粉絲
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!