醫療神經刺激器助癱瘓患者恢復活動能力脊椎結構、神經運作｜STEM教室

2024-12-04 14:00

根據世界衞生組織（WHO），世界每年有約二十五萬至五十萬人患有脊髓損傷。縱然我們經常強調促進脊椎健康，如保持良好姿勢等，但很多個案其實都源於意外，例如交通事故等。曾有一名保安員在走樓梯「巡樓」時，不慎從兩、三級高度向前仆，在頭部碰地時，已令頸椎受傷。我們當然想避免這些連環不幸事件，但意外一旦出現了，我們又能如何應付呢？近來科學家研發了一些安裝在脊椎的電子裝置，有效治療脊髓損傷。甚麼？用電？這麼「大陣仗」？就讓我們看看是如何做到吧！

根據世界衞生組織（WHO），世界每年有約二十五萬至五十萬人患有脊髓損傷。

頸椎受傷可致全身癱瘓。

初步認識：脊椎結構

在了解如何治療脊椎或脊髓損傷前，我們應先認識一下這個我們肉眼看不到，卻支配我們全身機能的身體部位。

我們常說大腦是我們做所有行動的「指揮中心」，但其實脊髓的作用也是不遑多讓。如果說大腦是用作接收、分析、儲存每個部位傳過來的信號，並發放信號回這些部位，那麼脊髓就是連接腦部與身體各部位的橋梁。

當身體不同部分的神經接收到外界事物時，信號會先由「小路」走到脊髓這條「高速公路」，再到腦部；而當大腦處理資訊並發出指令後，亦會經「高速公路」分岔至各「小路」。我們稱這些小路為「外周神經系統」（peripheral nervous system，PNS），而「高速公路」及「指揮中心」則合指為「中樞神經系統」（central nervous system， CNS）。要保護中樞神經系統，腦部有頭骨（skull）包圍，而脊髓（spinal cord）則有脊椎／脊柱（vertebral column）保護。

圖一：CNS（中樞神經系統）及 PNS（外周神經系統）位置分布

脊髓就是連接腦部與身體各部位的橋梁，當大腦處理資訊並發出指令後，訊息經由中樞神經系統（CNS）再傳送到外周神經系統（PNS）。

脊椎由椎骨（vertebra）及椎間盤（intervertebral disc 或 disc）組成，除了保護脊髓，還有支撐身體、控制身體移動、避震（椎間盤專屬）等作用。我們一般把椎骨分成五組，包括頸椎（cervical vertebrae）、胸椎（thoracic vertebrae）、腰椎（lumbar vertebrae）、骶骨（sacrum）及尾骨（coccyx），每組都有相應血管提供養分及神經分岔去 PNS。

圖二：脊椎結構

男團 MIRROR 前年7月在紅館舉行演唱會期間巨型電視屏幕墮下，舞蹈員李啟言（阿Mo）遭壓中致頸椎骨第4節爆裂。

延伸認知：脊神經

由脊髓延伸出去的神經稱為脊神經。與椎骨一樣，我們都把這些神經分為五組：

頸椎神經（對頸部、肩膀及手臂提供知覺，並控制與呼吸有關的肌肉）
胸椎神經（控制胸和腹的活動，因而影響平衡及姿勢；亦影響交感神經，因而控制血壓、心率、排汗等）
腰椎神經（支援下背、臀部及雙腿）
骶椎神經（負責腿下部及盆骨附近器官，如膀胱）
尾椎神經

因此，醫生從檢查我們有甚麼位置不能動彈或運作異常，來推測患者脊椎或脊柱的哪個位置受傷。值得留意的是，正如交通意外發生時，後面的車輛無法向前走，假若某一處脊神經或脊髓出現損傷，由此處以下的所有脊神經都再無法好好與腦部連接，因此所有相關的功能亦不能運作。例如一個人的頸椎受傷，除了呼吸困難，其四肢亦有可能不能移動。

醫生從檢查我們有甚麼位置不能動彈或運作異常，來推測患者脊椎或脊柱的哪個位置受傷。

圖三：脊神經位置

C1至C8是頸椎神經、T1至T12是胸椎神經、L1至L5是腰椎神經、S1至S5是骶椎神經、Coccygeal nerve 是尾椎神經，合共31組神經。

測試反應判斷活動能力

除了觀察哪些身體機能受影響，醫生在了解傷者情況時，還要知道脊髓的損傷程度，例如是否整個橫切面都受損害。期間會進行薦髓機能保留（sacral sparing）測試，包括檢查肛門周圍有沒有感覺、肛門能否自主收縮，以及大拇指可否屈曲；如果沒有反應，就代表完全脊髓損傷（complete spinal cord injury），反之，則是不完全脊髓損傷（incomplete spinal cord injury），傷者很可能仍有感知能力，甚至有部分活動能力。通過了解受傷位置及程度，便可作出相應程序處理。

醫生通過了解受傷位置及程度，便可作出相應程序處理。

神經運作：信號傳遞與電相關

我們初步認識了脊椎及脊髓的結構，但究竟與「電」有甚麼關係？這裏，我們就要了解大腦是如何通過脊髓與身體各部位溝通。

首先，身體各部位（如皮膚）感知了外界資訊後，經過背根（dorsal root，一種輸入神經束）進入相應的脊神經，信號再經由脊髓傳至腦部；而當腦部下指令時，亦會經過脊髓和脊神經，這時信號就會由腹根（ventral root，一種輸出神經束）傳到各運動細胞（如肌肉）。這些神經系統，全都由神經細胞（nerve cell），又稱神經元（neuron）構成。

圖四：神經元結構圖

神經系統全都由神經元（neuron）構成。

化學信號改變電壓

如圖四所示，信號會由樹突（dendrite）開始傳遞，樹突頂端為突觸（synapse），接收上一個神經元的化學信號——源自腦部所發出的指令，可以是刺激性或抑制性的神經傳遞物（neurotransmitter），經過多個突觸的空間及時間整合，當所收到的信號強度足以觸發動作電位（action potential），就會以電的形式把信號傳遞下去。

深入一點來說，化學信號令細胞內外的帶電荷離子分量產生變化，從而令其電勢差（亦即電壓）改變，當達到一個臨界值時，電壓就會向前傳遞，而這值就是動作電位。細胞體（cell body / soma）內包含細胞核（nucleus），攜帶着遺傳訊息 RNA，從而製造蛋白質並供給神經元各部分，尤其是軸突（axon）遠端來維持正常運作。要把電信號由樹突傳遞到神經元末端，就需要軸突。

腦部發出的指令後，信號會由樹突（dendrite）開始傳遞到身體各部份。

電阻較高加快傳送

軸突就如電綫，把動作電位向末端傳遞；髓鞘（myelin sheath）就像包裹着電綫的絕緣護套，防止電外泄，令電子信號維持足夠強度，亦令神經脈衝（neural impulse）加快到達目的地。不過，這些「絕緣護套」並不會完全包圍着軸突，從圖四可見髓鞘是一節節的，中間的節點稱為蘭氏結（nodes of Ranvier），類似海底電纜每隔一段距離就有一個放大器維持信號強度；由於蘭氏結沒有任何東西覆蓋軸突，因此容許離子進出細胞，從而維持動作電位的強度。對比有髓鞘包覆的低電阻部分，蘭氏結電阻較高，促使電流進行跳躍式傳導（saltatory conduction），增加大腦指令傳送速度。當電流通過軸突到達遠端的突觸，信號就會傳給下一個神經元。由此可見，身體與腦部的溝通，全都與電相關。

身體與腦部的溝通，全都與電相關。當電流通過如電綫的軸突到達遠端的突觸，信號就會傳給下一個神經元。

治療層面：脊傷的電子裝置

了解到脊髓在大腦指揮身體活動時所擔當的角色，以及脊髓內的神經元是如何以電流進行溝通，因此，假若脊椎受傷，尤其是神經，將影響身體的活動能力，亦即癱瘓。藉着醫學界對脊髓有更深入了解，世界各地專家團隊研發不同策略與科技來嘗試作出醫治。

人工智能模擬大腦指令

我們知道脊髓損傷影響神經元的電流傳遞，若以人為方式把電流傳到相應神經系統，就有可能使該神經所控制的肌肉重新活動。洛桑聯邦理工學院（EPFL）的 Grégoire Courtine 和 Jocelyne Bloch 團隊就設計了一個電子刺激裝置：

首先，把人工電極陣列放進脊椎內，陣列由軟物料承載，其良好生物相容性使之能夠連結脊髓；
接着，這排電極會與電腦連接。基於我們對肌肉活動的認識，包括所須用到的神經、電流強度和頻率等，這個人工智能系統能模擬大腦指令，令指定電極刺激相關神經，並在患者嘗試活動時自動調整和同步電流強度與頻率。

這裝置在人體測試中得到良好的效果，使原本癱瘓的患者能夠重新站立起來，甚至步行。而香港理工大學亦成功研發電流刺激器（PolyUStimulator），其特點在於體積比指甲還小，因此毋須手術已能放進患者體內。

圖五：洛桑聯邦理工學院（EPFL）研發的電流刺激器

左方顯示電極穿過脊椎後，走進脊椎與脊髓之間的空位，改良後的設計能覆蓋更多脊髓部分；右方的灰黑色條為電極，能刺激多條神經（紅色為刺激部分），從而控制腿部及軀幹肌肉。當然，要讓患者適應這個人造電流，須配合物理治療和訓練。

香港理工大學亦成功研發電流刺激器（PolyUStimulator）可以小至直徑一毫米，細小得足以安全地以注射方法植入皮膚下。© 2024 香港理工大學

PolyUStimulator 體積比指甲還小，因此毋須手術已能放進患者體內。© 2021 香港理工大學

補充資料

電流刺激骨骼生長

脊髓與脊椎息息相關，假如脊椎受損，就不能保護裏面的脊髓。

現時，醫治椎間盤退化、脊柱側彎、脊椎骨折的方法，大都使用椎骨融合術（spinal fusion），即利用骨骼移植（bone grafting）以及螺絲等硬件把兩節椎骨連接起來。但有研究發現，融合術有一至四成機會失敗，原因包括骨骼生長不足導致兩節不能縫合等，而原來骨的生長與電子刺激有很大關係。

現時，醫治脊椎受損問題，大都使用椎骨融合術（spinal fusion），利用骨骼移植（bone grafting）以及螺絲等硬件把兩節椎骨連接起來。© Mayo Foundation for Medical Education and Research (MFMER)

早於1957年，科學家已發現骨頭是壓電的（piezoelectric），即受到物理壓力時會內生電場（electric field），從而促進骨頭生長，反之亦然。這也是為何經常不做運動，或身處太空時，由於骨頭所受壓力減少，出現骨質流失。　　

電場能發揮兩大作用：

調節結締組織（connective tissue）細胞的基因表達，從而促進細胞外基質（extracellular matrix）蛋白製造骨頭和軟骨；
促進生長因子的製成及基因表達，從而有助骨骼生長當中的步驟。

因此，一些人嘗試直接施加電流刺激骨骼生長，從而提升骨傷復原的機會。醫療科技公司 Intelligent Implants 就研發出 SmartFuse TLIF Cage，一個能夠安裝在脊椎的小型電子裝置，在動物模型中能令骨頭生長快三倍，而且骨質更佳，有望將來用作臨牀測試。

科學家發現骨頭受到物理壓力時會產生電場（electric field）。因此，醫療科技公司就研發出微型電子裝置，以施加電流刺激脊椎的復原和生長。

圖六：Intelligent Implants 研發的 SmartFuse TLIF Cage

裝置十分細小，使安裝更容易，而且風險較低。 © The World of Implantable Devices

裝置內部設計，多個電極用以施加電流刺激、控制及監測骨骼生長，而且利用無綫電技術連接雲端及應用程式，讓醫生可隨時監察手術位置的狀況。© The World of Implantable Devices

醫療科技日新月異，隨着我們對人體的認知愈來愈深入，因而設計更多治療方法，醫治以前解決不到的疾病，就如我們對腦部和神經系統的了解，促使研發出電子裝置使癱瘓患者可以重新活動。當然，醫療科技的先進，並不代表我們可以漠視身體健康，假若我們平日注意坐姿、保持適量運動的話，就能減少患上與脊椎相關疾病的機會。

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