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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

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。

 

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關於作者

楊昀霖

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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