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《大英雄天團-穿戴式的超能力》Walk Again Project

Zobot
・2015/02/02 ・1931字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 507 ・六年級

還記得《大英雄天團》的阿費第一次穿上彈跳噴火龍套裝時有多興奮嗎?是什麼樣的裝束,讓人穿上時會有美夢成真的感覺呢?

Photo by Disney
Photo by Disney

2014年六月12號,在聖保羅哥林多人體育場(Arena Corinthians)的世界盃足球賽開幕典禮上,一位下半身癱瘓的青年,利用由他自己的大腦活動,操控動力服,達成一件象徵性的成就。

「再度行走計劃(Walk Again Project)」由埃德蒙與莉莉薩弗拉國際神經科學研究所納塔爾分校(Edmond and Lily Safra International Institute of Neuroscience of Natal;ELS-IINN)主導,與聖保羅的傷殘孩童扶助協會(Association for Assistance to Disabled Children;AACD)合作,於2013年一月獲得巴西科學研究與發展項目資助署(FINEP)所提供臨床階段必要資源,在巴西聖保羅另組實驗室,由長期研發神經復健(neurorehabilitation)方法和外骨骼(exoskeleton)的神經科學家尼可列利斯(Miguel Nicolelis)主持,同時也受到巴西伊塔烏聯合銀行(Itaú Unibanco)贊助。

此計劃中所有測試階段的科學、臨床、技術上的目標都在2014年五月達成。這還只是個開始,不過研發團隊有信心,未來身體癱瘓的人們將可以丟下輪椅,實實在在地站起,再次行走。

第一階段:研發腦機介面(brain-machine interface)

任職於美國北加州杜克大學(Duke University)的巴西籍科學家尼可列利斯,從1984年開始從事這個領域,直到2001年時發想能製造出全新的科技產品,有助因脊髓或神經傷害而下半身嚴重癱瘓的病人,修復他們的觸覺和運動控制(motor control)能力。

這個計劃的第一步是研發所謂的「腦機介面」技術,即能夠讀取大腦神經所放出電子訊號,並從中記錄可以給機器使用的運動控制訊號。此技術不需將訊號再從機器(robot)傳回大腦,即可完成控制圈。

首次觀察實驗是在杜克大學用老鼠和猴子進行。實驗動物們只能在有外來訊號進入大腦時,才可以移動機器手臂或電腦模擬的手臂來操作物品。在另一階段的實驗中,這些動物的大腦受到電子訊號刺激,第一次能夠將不同材質的物品區分開來。

第二階段:外骨骼(動力服)

外骨骼技術的發展進度在第一階段是走在最前端的,而後動力服的設技也能夠馬上反應出大腦訊號。這部份的工作,由來自慕尼黑工業大學(Technical University of Munich)的Gordon Cheng領導一群工程師與研究人員進行,在法國研發,在巴西測試。

第一次的原型機測試非常成功,完全掌握住大腦活動,如同一個共享控制(shared control)裝置,將自發性的運動意念如「我想走路」、「我想停下來」或是「我想踢這顆球」傳達出來,使操控者的心理能與外骨骼的關節控制互動,產生自然流暢的動作。外骨骼上還配有多個陀螺儀,避免行進中跌倒。每一位參與實驗的病人都說,感覺好像真得用自己的雙腳在走路。

此發明對巴西科學界的重要性反應在他們為動力服取的名字上-巴西-桑托斯杜蒙一號(BRA-Santos Dumont I),為紀念亞伯托桑托斯杜蒙(Alberto Santos Dumont),尼可列利斯認為巴西歷來最偉大的科學家。

第三階段:觸覺

為了使「行走」更接近真實,使病人癱瘓的下肢恢復觸覺是非常重要的事;觸覺回饋技術(tactile feedback technology)或人工皮膚,對於恢復觸覺和本體感覺(proprioception;對於肢體或軀幹的位置與動作的感覺,以及對肌肉張力的感覺)是必要的裝置。
人工皮膚裡面是有彈性的印刷電路板,能感測壓力、溫度和速度,會被貼在病人的腳底板,將每一踏步的「觸覺」傳至病人的手臂或其他還有感覺的上肢。原本應該是在腳底的「觸覺」被轉移到手臂,大腦會被引導重新建構「觸覺」和「在地面踏步的感覺」,讓病人感覺下肢沒有癱瘓。

第四階段:讓病人做做看

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2014年一月展開第一次臨床測試,共有八位病人參與,他們會先與模擬訓練裝置互動,對「新觸覺」熟悉後,才穿上動力服正式行走。

首先病人們戴上虛擬實境目鏡,看著如同在跑步機上穿著動力服行走的模擬畫面,同時手臂接收觸覺回饋-透過人工皮膚傳來的機械式震動;這個神經衝動與目鏡中行進的模擬畫面一致,此時大腦會重新學習感受雙腳與手臂。這個測試還會將虛擬實境換成從足球賽中錄下的真實畫面和聲音,當然包括鬧哄哄的環境和塞得滿滿的觀眾席。

完成以上的虛擬測試後,會讓病人們穿上動力服、戴上佈滿電極的帽子,利用腦波測量技術(electroencephalography;EEG),以非侵入的方式從頭皮測量電子訊號。電腦可以立即解碼這些訊號,操控外骨骼的液壓導線(hydraulic conductors)來產生動作。

2014年四月29號,其中一位病人用大腦命令他的動力服踏出了第一步;五月20號,八位病人平均都利用外骨骼走了120步;接著他們還想測試在世界盃足球賽開幕式的場景中跑步。

下一步

「再度行走計畫」的目標不只是在世界盃開幕式上一展身手,尼可列利斯的團隊以及其他參與計畫的工作人員,都將會繼續努力讓技術進步,幫助下半身癱瘓的病人。至於將相關的技術應用到阿費所穿戴的吉祥物嘛……或許就太大材小用了。

參考資料:

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Zobot
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PanSci 實習編輯 | 主修大氣科學。喜歡弄文字、玩音樂。傾向自然,不管是拿來讀的那種,渾身散發出來的那種,還是可以去野餐的那種。


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觀賞蝦身上長蟲?俗稱蝦蛭、也不盡然是寄生蟲的蛭蚓

YTLai_96
・2020/12/29 ・3250字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 530 ・七年級

近年來觀賞蝦養殖興起,連帶的也讓許多人注意到心愛的蝦子身上有時會出現細長的條狀物。對飼主而言,這些像水蛭一樣用前後吸盤交錯黏附移動的不速之客,通常都稱之為「蝦蛭」,而且看那副噁心的長條模樣,勢必就是寄生在蝦子身上造成病狀的禍首,非除之而後快不可。

不過,這些坊間流傳的資訊裡頭其實有些誤會,且讓我們一一道來。

黏在淡水蝦頭上的兩隻蛭蚓。圖/作者提供

那些很像蛭類的小東西

首先,雖然這些細長條狀的蟲像水蛭一樣,用前後吸盤交錯黏附移動,但是牠們其實並不真的屬於蛭類,而是蛭類的親戚,叫做蛭蚓(Branchiobdellidan)。

蛭蚓,顧名思義,就是長相上介於蚯蚓和蛭類的動物。一般而言,蛭蚓的體型微小,身體圓柱狀,僅有數公釐至一公分出頭。雖然蛭蚓和蛭類一樣都是以頭尾交替吸附的方式移動,但蛭類擁有口吸盤和尾吸盤,蛭蚓卻只有尾吸盤而沒有口吸盤。此外,比起擁有 27 節軀幹體節的蛭類,蛭蚓的軀幹體節數僅有 11 節,加上癒合為頭部的 4 節體節也才 15 節。整體而言,似乎像是簡單版的蛭類,因此 21 世紀之前,蛭蚓被視為是較原始的蛭類。

然而,藉著分子親緣技術與工具的進步,本世紀初的研究發現蛭蚓是與蛭類有共祖的姊妹群,而不是原始的蛭類。因此,蛭蚓身上這些看似簡單版的蛭類特徵,應該只是共祖的後代在適應環境的過程中演化的結果。

蛭蚓在解剖顯微鏡下的模樣,左邊為游離搖擺的頭部,右邊則是吸附於表面的尾吸盤。圖/作者提供

蛭蚓或許礙眼,但並不一定是寄生蟲

和蛭類相比,蛭蚓的生活史實在是更不獨立了點。蛭類當中僅有一部份種類不時得附著在其他動物身上吸血營生,但目前已知的所有蛭蚓終其一生都必須附著在其他動物身上,而且絕大多數是以淡水蝦如螯蝦、米蝦為附著的優先選擇,但也有附著於淡水等足目或其他淡水蝦蟹的記錄,因此蛭蚓對於附著的淡水甲殼類種類並沒有強烈的專一性。

話說回來,蛭蚓雖然整個生活史都要依附在淡水蝦身上,但並不表示牠一定就是對淡水蝦有傷害的寄生蟲。如果蛭蚓的依附讓淡水蝦的生活變得更辛苦,那麼蛭蚓就是對淡水蝦宿主有負面影響的寄生蟲;但如果蛭蚓的依附生活史對淡水蝦不痛不癢,那麼蛭蚓和淡水蝦宿主就是片利共生的關係;而若是蛭蚓的存在讓淡水蝦生活得更好,那麼兩者就是互利共生的關係了。

因此,雖然坊間對蛭蚓在觀賞蝦身上的危害言之鑿鑿,但過去的研究顯示,蛭蚓的食性其實多半是其他更小的無脊椎動物或浮游生物,也會啃食宿主外骨骼上附著的單細胞藻類和其他有機碎屑,況且牠們由兩片硬化的顎構成的口器,實在也不適合啃食宿主的組織或吸食宿主的體液。先前的多數研究也發現,北美洲的蛭蚓待在螯蝦宿主身上,大部分時候既不會提高螯蝦的死亡率,也沒有其他明顯的負面影響,因此蛭蚓和淡水蝦的關係,應該是以對蛭蚓有利、對淡水蝦宿主無害的片利共生為主。

北美螯蝦螯上的蛭蚓。圖/Wikipedia

更進一步而言,蛭蚓依附在淡水蝦身上啃蝕宿主外骨骼黏附的藻類和碎屑,其實可能對宿主是有利的。在一些先前的研究中發現,當蛭蚓在螯蝦宿主身上達到相當密度,則可能因為清理了淡水蝦宿主身上和鰓上沾附的碎屑和藻類,讓宿主變得更身輕如燕而健康,因此蛭蚓和淡水蝦宿主就像是清潔蝦與海鰻一樣,形成了互利共生的雙贏局面。

清潔蝦與海鰻的互利共生關係。圖/Wikipedia

然而,要說蛭蚓在淡水蝦身上一點壞處都不會有,倒也不盡然。近年來的研究發現,當蛭蚓在淡水蝦身上的密度過高,可能就會在吃光了宿主外骨骼上附著的碎屑和藻類之後轉而啃食宿主的鰓組織,因此對宿主造成了負面影響。過高的蛭蚓密度也會限制淡水蝦宿主的移動能力,讓宿主無法正常進食,並且更容易成為捕食者的目標。蛭蚓的胃內含物分析也發現,蛭蚓幼體的消化道中的確有宿主的鰓組織,但蛭蚓成體卻沒有,而且只有棲息在宿主鰓部的蛭蚓,消化道中才會出現宿主的組織。因此,在蛭蚓的生活史中,或許只有早期生活史的幼體階段,而且只有在蛭蚓正好棲息於淡水蝦鰓部的時候,才可能轉以寄生的形式造成宿主負面影響。

台灣的蛭蚓目前僅一種,而且所知不多

話說回來,上述的研究都是以北美的蛭蚓和螯蝦宿主為研究的對象。在台灣,目前已知的蛭蚓只有平頭霍氏蛭蚓(Holtodrilus truncatus一種,這種蛭蚓廣泛分佈在台灣、日本、韓國與中國,而且多半是在俗稱黑殼蝦的擬多齒米蝦(Caridina pseudodenticulata)、台灣米蝦(Caridina formosae)、白斑米蝦(Caridina leucosticta)、多齒米蝦(Caridina multidentata)、甚至玫瑰蝦(Neocaridina davidi)等的小型淡水蝦身上發現。根據研究,目前僅知分佈於日本本州中部紀伊半島的平頭霍氏蛭蚓的確存在著某些宿主偏好,當兩種不同的淡水蝦同時存在時,會選擇特定一種做為宿主,而且對宿主的選擇偏好也符合在野外觀察到的感染盛行率。至於牠們對宿主的影響是否相似於北美的蛭蚓和螯蝦宿主,也還不得而知,或許因為宿主的相對體型更小,使得台灣的蛭蚓和淡水蝦之間更可能趨近於寄生關係也說不定。

尷尬的是,由於近年來台灣在觀賞淡水蝦市場上輸出了不少淡水蝦個體,連帶的也讓平頭霍氏蛭蚓輸出到世界各國,成了異國水族缸裡的新成員。2020 年的波蘭研究發現,120 隻從台北運到華沙的水族賞玩用的台灣米蝦當中,總共找出了 122 隻附在蝦子身上的平頭霍氏蛭蚓,整體來說這些米蝦感染蛭蚓的比例達 23.3%,感染蛭蚓的米蝦身上平均有 4.4 隻蛭蚓。區分米蝦的性別來看,雄蝦感染蛭蚓的比例似乎稍高,但雌蝦感染的蛭蚓平均數量比較多。平頭霍氏蛭蚓感染的位置也有所偏好,有 44.3% 的感染落在胸足區域,22.1% 的感染在額角附近,其次是 21.3% 的感染在腹足與腹部區域,最後才是 12.3% 的鰓部感染。此外,雖然雌雄米蝦同樣在胸足區域有最多的感染,但雄蝦被蛭蚓感染的位置更常發生在腹足與腹部區域(43.3%),卻不曾出現在額角;反觀雌蝦被蛭蚓感染額角區域有29.3%,在腹足與腹部區域則僅有14.1%。

如何去除平頭霍氏蛭蚓

讓淡水蝦玩家皺眉的消息是,在 2020 年這一篇研究中,雌性台灣米蝦的鰓部、腹足和腹部區域的確可見些許損傷,雖然也可能有其他的原因,但這有可能就是因為平頭霍氏蛭蚓活動造成的。所以,即使蛭蚓可能無害,但對淡水蝦玩家來說,或許是看了討厭、或者是為求保險,總之也許還是希望將蛭蚓除之而後快。那麼,到底該怎麼做才好呢?

其實,去除蛭蚓最簡單的方式,就是將水體鹽度升高到 0.5% 以上。根據 2016 年的日本研究,平頭霍氏蛭蚓在水體鹽度達1%時,三小時內就會死光光,不過這個實驗是把蛭蚓從宿主身上取下來以後才進行的,所以各位淡水蝦玩家們哪天要是想依法炮制,千萬務必先確定手上的淡水蝦能夠忍受鹽度 1% 超過三小時,否則為了去除蛭蚓結果也讓心愛的蝦子魂歸西天,宿主因為附生的無害小蟲而玉石俱焚豈不得不償失,你說是不是哪?

參考文獻:

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Maciaszek R, Jabłońska A, Prati S, Swiderek W (2020) First report of freshwater atyid shrimp, Caridina formosae (Decapoda: Caridea) as a host of ectosymbiotic branchiobdellidan, Holtodrilus truncatus (Annelida, Citellata). Knowledge & Management of Aquatic Ecosystems 421: 33–40

Niwa N, Archdale MV, Matsuoka T, Kawamoto A, Nishiyama H (2014) Microhabitat distribution and behaviour of Branchiobdellidan Holtodrilus truncatus found on the freshwater shrimp Neocaridina spp. from the Sugo River, Japan. Central European Journal of Biology 9: 80–185

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大高明史,陳榮宗(2010)台灣內水域新紀錄一種蛭蚓類及四種貧毛類。台灣生物多樣性研究 12: 97–110

大高明史,格爾德,大和茂之,陳榮宗,西野麻知子(2015)台灣匙指蝦類體表兩種外共生蛭蚓目及切頭類之共棲。台灣生物多樣性研究 17: 253–262

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YTLai_96
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也許永遠無法自稱學者,但總是一直努力學著
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