「頭殼壞去」真的沒救了？讓微型電子網格進入體內修復大腦

艾瑞克索圖（Erik Sorto）是一名癱瘓十年的身障者，但他同時也是類似患者們的新希望。2013 年艾瑞克不顧家人反對，毅然報名接受了一場腦部手術。現在的艾瑞克有如科幻小說中的角色，只要他想像抓取東西的樣子，安裝的機械手臂就會執行他的命令。

過去雖然也有少數身障者透過腦機介面（brain-computer interface，簡稱 BCI） 操控機械，但這些受試者的植入體，所接受的信號多來自連結脊椎與肌肉的前運動皮質區，只能被動記錄訊號。而艾瑞克是第一位在後頂葉皮質層內（產生肢體運動意念的區域）植入晶片，讓機械主動理解使用者意圖的人。

加州理工學院的神經科學教授、也是這次實驗的首席研究員理查安德森（Richard Andersen）解釋，從使用者的意圖出發，不僅較符合人性，也能讓機械手臂作用的速度更快，艾瑞克所做的是讓機械手臂理解他的最終目標，而不是操控所有運動細節。舉例來說，當我們伸出手臂拿起一杯水時，你不會去思考每一個關節或肌肉該如何伸展、或拆解每個動作，你只想著要拿到那杯水而已。

透過數據累積，讓手臂知道你想做甚麼

在研究初期，研究人員先透過核磁共振技術，觀察當艾瑞克產生抓取等動作等意念時，頂葉皮層內兩個最活躍的區域。在此之後便植入 2 個微電極陣列，裡面各自包含 96 個電極，能夠記錄單一神經元的活動。此外，在艾瑞克的頭骨上有兩個金屬基座，能夠接收電極收到的信號，並連接機械手臂。

術後一個月，艾瑞克就開始了與團隊的合作。在第一個實驗中，工作人員先做出某些手勢，讓艾瑞克在腦中想像、模仿做出這些動作的感覺，並藉由不同的動作，觀察哪些神經元會對特定動作有反應。長期研究下來，團隊能夠不斷校準神經元與動作間的關係，針對位置、移動軌跡及特定運動等類別歸納出一套演算法。此外，安德森表示，即使系統沒有接收到完整的信號，也能透過演算法與過去的數據，自動補足需要的信號，這也會讓使用者操作起來更便利，減少失誤的次數。

頂葉皮質會是最佳解答嗎？

過去腦機介面（BCI）的開發，多根基於美國布朗大學腦科學研究所主任約翰多諾霍（John Donoghue）對運動皮質的前瞻研究。­多諾霍認為這次的實驗確實證明了頂葉皮質可以提供較有用的信號，但現階段他無法肯定頂葉皮質就是念動控制最好的選擇，因為目前的實驗成果雖好、但還不夠好，團隊尚未得知如何得到更精準的控制手段。

實驗的首席研究員安德森也曾提議結合來自運動皮質與頂葉皮質的兩種訊號，透過交叉判斷讓機械手臂的判讀更清晰，然而多諾霍則表示，結合不一定會帶來增值效果。他提到，當我們試圖用手拿起杯子時，會用到多達 80% 的大腦，上述兩種皮質只占了一部分，且傳遞出的訊號其實相當類似，因此不排除其他部分的大腦有可能蘊藏了更關鍵的數據。

依然努力著的艾瑞克

在學界熱烈討論的同時，艾瑞克仍舊繼續著他與機械手臂間的實驗。在這兩年中，他的熱情絲毫未減，並致力提升操控的精準度，他練習玩了 6700 多次的剪刀石頭布，因為這些對常人而言簡單的動作，都是重要的突破。雖然過程辛苦，但艾瑞克終於在今年實踐了他長久以來的目標：透過機械手臂拿起啤酒，並暢快的痛飲一番。未來，他還想嘗試刷牙、刮鬍子等更精細的動作。

（本文由科技部補助「新媒體科普傳播實作計畫－智慧生活與前沿科技科普知識教育推廣」執行團隊撰稿）

責任編輯：鄭國威
審校：陳妤寧

在1966上映的電影《聯合縮小軍》中，劇情講述一群科學家透過高科技將自己縮小，乘著飛船進入人體中進行治療的冒險故事。雖然電影年代久遠，許多鏡頭與畫面在今日看來有些荒唐，但仍能看出人們對迷你世界的想像與野心。時至今日，雖然我們還無法將人縮小，但在醫療領域，小到足以進入人體執行治療任務的技術已經不是科幻小說中的空想，而是正在實踐的理想。

終極目標：實用醫療

過去十年，已經陸續出現各種研究成果，例如由公牛精子與細菌推進的微型機器人、如海星般遇熱能緊密關閉的顯微夾具、由藥丸包裹的可控制磁球、由胃酸驅動的馬達以及能夠在眼球玻璃體中前進的扇貝型微機械。

這些案例有些還躺在實驗室，有些則已經進入動物實驗，科學家們的終極目標則是投入實用醫療領域。期望這些技術能夠應用在放射性藥物針、清除血塊、組織篩檢、在支架上培養新細胞等等任務，醫界期望能夠在「及早預防」與「精準治療」兩個領域有所突破。

當然，夢想的路上還有許多障礙要克服。在微觀尺度下，科學家們必須重新思考機器人運作的方式。其中又以續航力與動力最為棘手。此外還必須確保這些微小裝置沒有毒性，以免傷及組織，並設計一套在任務完成後，安全分解或離開身體的方式。

如何維持續航力？

關於續航力的問題，微型化不利於傳統的化學電池技術，因為一旦物體小於一毫米，電池的容量就會急遽下降。其中一種替代方案是「無線電力傳輸」，透過無線電波獲取電力，從體外進行發電。但這種做法仍須面對微型化挑戰，因為機器人需要有能夠接收電波的天線，且天線不能太小，同時也要確保電源與裝置的距離不能太遠，避免收不到信號。

此外，也有團隊研製出不帶有電源與天線的「變形細菌芯片」。在芯片兩端有兩個電極，當芯片遇到胃酸變形時，電極便會結合並透過化學作用獲取5～10分鐘的短暫電力。在這期間，裝置本身可以有足夠的電力來發送一組識別碼到肌膚表層的接收器上。

找到持續推進的動力

面對續航力的限制，工程師勢必要尋找新的途徑來讓裝置得到推進的動力，才能到達身體內的目的地。其中一個選擇是透過微型的化學火箭，經由特定反應對象獲取能量，例如胃酸。研究人員也正積極探索生物技術，例如藉由在組織間游動的細菌、或是隨著特定分子的濃度變化信號而前進。

在某些情況下，也可能不需要任何能量載體。約翰霍普金斯大學的大衛格拉西亞斯（David Gracias）與其同事，已經開發出一種星型的微型鉗，能對環境因素產生反應，例如溫度、pH值、或是特定酶的濃度。偵測範圍在直線距離500微米以內，當偵測溫度靠近人的體溫時，微型鉗就會關閉。只要擺放的位置得當，微型鉗便能採集周遭的組織，進行篩檢。微型鉗的應用，可提供慢性腸道疾病患者一種新的篩檢選擇。

格拉西亞斯表示，患者可以透過「服用」大量的微型鉗，讓裝置直接抵達腸道，增加篩檢取樣的面積。與之相對，醫生也能從直腸直接注入微型鉗，稍後再經由患者的糞便回收採樣結果。

精準投放的困難

胃腸道系統相較於其他器官，到達的門檻較低，且能搭配排遺回收裝置。但其他如眼、腦、血液等組織，前往正確位置的難度就高上許多，需要更為複雜的機械設計。

來自蘇黎世聯邦理工學院的布萊德利納爾遜（Bradley Nelson）正致力於視網膜的微型治療裝置。他表示，即使是能夠感應溫度和PH值的最先進微型機器人，都難以抗衡血液中強大的電流，因此這些裝置需要更好的「嚮導」。雖然納爾遜的團隊目前已經能讓攜帶藥物的裝置在視網膜中慢慢擴散，但最終僅有少數能到達患部。團隊希望能夠未來提高投放的精準度，進一步減低藥物的劑量，以減少副作用。

目前採用的解決方案，是在裝置外圍添加磁性材料，並透過核磁共振機器，引導裝置到達目的地，此舉已在動物實驗獲得成功，但納爾遜仍想尋找其他不需動用到巨型電磁鐵的方案。目前團隊除了摸索如何透過磁力線圈控制裝置運動所需的物理、數學機制，也開始研究大腸桿菌的鞭毛推進模式，希望將人工鞭毛技術結合到現有的裝置上。

（本文由科技部補助「新媒體科普傳播實作計畫－智慧生活與前沿科技科普知識教育推廣」執行團隊撰稿）

責任編輯：鄭國威
審校：陳妤寧