據科學解藥期刊的報導,一名男子因意外失去下臂肢體後,研究人員用手術將電極植入一名他的上臂神經,使他得到部分的觸覺 並改善他操控電動義肢的能力。電極響應義肢手上的傳感器並刺激上臂神經,使得使用者感覺能從義肢接收到觸覺。該裝置使這名來自丹麥的36歲截肢患者索倫森在盲測的狀況底下,能藉由在假肢上施加不同程度的力量區分不同形狀和硬度的物體。

 

該研究的共同作者席薇斯塔.穆瑟拉表示:“根據我們提供的觸覺反饋,截肢者從此能夠實時調節他所產生的力量。”她是瑞士洛桑聯邦理工學院的生物工程師並也任職於意大利比薩的聖安塔高級研究學院。

 

而一名未參加該研究的芝加哥大學的神經科學家史利曼.班士麥說:“我認為這項研究開始利用我們對神經編碼的了解,創造越來越自然的感官能力並在維持其細緻豐富的原則上重建觸覺。”

 

大約10年前,在一場涉及煙火的事故後,索倫森的下臂和手均被截肢。從那時起,他已漸漸擅長使用由肌肉收縮感應操作的機械假手。

 

截肢後,曾經支配被截肢體的神經依然保持完整,刺激這些神經可以重現患者對於手的感覺。2013年1月,羅馬嘉麥立醫院的外科醫生對索倫森進行了7個小時的手術,將微電極植入上臂的中位和尺神經。尺神經連結小指和第四手指以及部分手掌的感覺,而中位神經傳遞拇指和剩餘手指和手掌的受覺區域。

 

在對索倫森的電流響應進行廣泛繪圖後,研究人員將一個電動義肢手貼在他的殘肢上。新的假肢手配有張力傳感器,可測量指數和小指的力量。然後通過演算法將力數據轉換成電流,使用戶能夠接收來自義肢的感官反饋。

 

通常,操作機動假手的挑戰在於它沒有感覺; 用戶必須仔細觀察其動作並聆聽馬達出力程度,以便相應調整握力。所以在這項研究中,索倫森戴著眼罩和耳塞來消除聽覺及視覺輔助。首先,他表明他能夠利用他的假手施加三種不同的力道。當研究人員在未告知索倫森的情況下關閉傳感器時,他的表現受到了影響,這表明他確實依靠觸覺來完成任務。

 

研究人員還發現,索倫森在不用視覺判斷的情況下能夠判斷木材的硬度,以及區分出塑料杯和棉包。他還能夠對瓶子,棒球和橘子的形狀和大小進行分類。最後,索倫森能夠檢測到手掌中物體的方向,並適當地用手抓住它們。

電極響植入患者的手臂並連接到義肢上,從而提供觸覺反饋

並未參與此次研究的凱斯西儲大學生物醫學工程副教授達斯汀.泰勒說,先前一些試圖使假肢擁有觸覺反饋的實驗中,大多是利用替代受覺系統。替代受覺就是利用震動或施壓來提示使用者義肢的操作情形。但大多數的受試者對於這樣的系統大多適應不良,因為它們感覺不自然。

 

泰勒一直在研究一種不同的方法,用於創造具有感官反饋的義肢。雖然穆瑟拉和他的同事將電極直接植入神經,但泰勒的團隊正在使用侵入性較小的袖帶電極,這種電極包圍著神經束而不是穿透它們。根據麻省理工學院技術評論期刊,泰勒已經將袖帶電極植入患者的手臂中並將它們連接到義肢上,從而提供感覺反饋。

 

將電極直接插入的問題是可能會損傷這些神經。但索倫森的神經在電極被植入後的整個月內沒有任何問題。而在研究結束和去除電極後六個月後,他的神經仍然保持良好狀態。研究人員計劃再度測試他們的方法是否能實行更長的時間。“到目前為止,所有報告都顯示了這項工作的短期價值,但尚未證明這是一項長期解決方案,”泰勒說。

 

共同作者羅馬聖心天主教大學的神經學家保羅.瑪麗亞.羅西尼補充;他的團隊最終需要將處理器系統縮小,以翻譯傳感器的讀數,並微縮電極接點。這些設備目前是屬於外部連接 – 索倫森必須坐在它們旁邊才能獲得完整的感官反饋 – 而且有點笨重。最終,研究人員希望義肢能有良好的便攜性,以利患者能在日常生活中使用它。

 

“重要的是,神經重建已成為一個可行的目標,”泰勒說。“這項工作表明神經是一個很好的互動接點,我們必須努力找到實現這一目標的方法。“

S.Raspopovic等,“在實時雙向手假肢中恢復自然感覺反饋”,Science Translational Medicine,6:222ra19,2014。

 

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