医疗神经刺激器 助瘫痪患者恢复活动能力 脊椎结构、神经运作｜STEM教室
2024-12-04 14:00 
根据世界衞生组织（WHO），世界每年有约二十五万至五十万人患有脊髓损伤。纵然我们经常强调促进脊椎健康，如保持良好姿势等，但很多个案其实都源于意外，例如交通事故等。曾有一名保安员在走楼梯「巡楼」时，不慎从两、三级高度向前仆，在头部碰地时，已令颈椎受伤。我们当然想避免这些连环不幸事件，但意外一旦出现了，我们又能如何应付呢？近来科学家研发了一些安装在脊椎的电子装置，有效治疗脊髓损伤。甚么？用电？这么「大阵仗」？就让我们看看是如何做到吧！
相关文章：阿Mo第一阶段创新手术成功 父形容101周「见证重生」
初步认识：脊椎结构
在了解如何治疗脊椎或脊髓损伤前，我们应先认识一下这个我们肉眼看不到，却支配我们全身机能的身体部位。
我们常说大脑是我们做所有行动的「指挥中心」，但其实脊髓的作用也是不遑多让。如果说大脑是用作接收、分析、储存每个部位传过来的信号，并发放信号回这些部 位，那么脊髓就是连接脑部与身体各部位的桥梁。
当身体不同部分的神经接收到外界事物时，信号会先由「小路」走到脊髓这条「高速公路」，再到脑部；而当大脑处理资讯并发出指令后，亦会经「高速公路」分岔至各 「小路」。我们称这些小路为「外周神经系统」（peripheral nervous system，PNS），而「高速公路」及「指挥中心」则合指为「中枢神经系统」（central nervous system， CNS）。要保护中枢神经系统，脑部有头骨（skull）包围，而脊髓（spinal cord）则有脊椎／脊柱（vertebral column）保护。
图一：CNS（中枢神经系统）及 PNS（外周神经系统）位置分布
脊椎由椎骨（vertebra）及椎间盘（intervertebral disc 或 disc）组成，除了保护脊髓，还有支撑身体、控制身体移动、避震（椎间盘专属）等作用。我们一般把椎骨分成五组，包括颈椎（cervical vertebrae）、胸椎（thoracic vertebrae）、腰椎（lumbar vertebrae）、骶骨 （sacrum）及尾骨（coccyx），每组都有相应血管提供养分及神经分岔去 PNS。
图二：脊椎结构
延伸认知：脊神经
由脊髓延伸出去的神经称为脊神经。与椎骨一样，我们都把这些神经分为五组：
- 颈椎神经（对颈部、肩膀及手臂提供知觉，并控制与呼吸有关的肌肉）
- 胸椎神经（控制胸和腹的活动，因而影响平衡及姿势；亦影响交感神经，因而控制血压、心率、排汗等）
- 腰椎神经（支援下背、臀部及双腿）
- 骶椎神经（负责腿下部及盆骨附近器官，如膀胱）
- 尾椎神经
因此，医生从检查我们有甚么位置不能动弹或运作异常，来推测患者脊椎或脊柱的哪个位置受伤。值得留意的是，正如交通意外发生时，后面的车辆无法向前走，假若某一处脊神经或脊髓出现损伤，由此处以下的所有脊神经都再无法好好与脑部连接，因此所有相关的功能亦不能运作。例如一个人的颈椎受伤，除了呼吸困难，其四肢亦有可能不能移动。
图三：脊神经位置
测试反应 判断活动能力
除了观察哪些身体机能受影响，医生在了解伤者情况时，还要知道脊髓的损伤程度，例如是否整个横切面都受损害。期间会进行荐髓机能保留（sacral sparing）测试， 包括检查肛门周围有没有感觉、肛门能否自主收缩，以及大拇指可否屈曲；如果没有反应，就代表完全脊髓损伤（complete spinal cord injury），反之，则是不完全脊髓损伤 （incomplete spinal cord injury），伤者很可能仍有感知能力，甚至有部分活动能力。通过了解受伤位置及程度，便可作出相应程序处理。
神经运作：信号传递与电相关
我们初步认识了脊椎及脊髓的结构，但究竟与「电」有甚么关系？这里，我们就要了解大脑是如何通过脊髓与身体各部位沟通。
首先，身体各部位（如皮肤）感知了外界资讯后，经过背根（dorsal root，一种输入神经束）进入相应的脊神经，信号再经由脊髓传至脑部；而当脑部下指令时，亦会经过脊髓和脊神经，这时信号就会由腹根（ventral root，一种输出神经束）传到各运动细胞（如肌肉） 。这些神经系统，全都由神经细胞（nerve cell），又称神经元 （neuron）构成。
图四：神经元结构图
化学信号改变电压
如图四所示，信号会由树突（dendrite）开始传递，树突顶端为突触（synapse）， 接收上一个神经元的化学信号——源自脑部所发出的指令，可以是刺激性或抑制性的神经传递物（neurotransmitter），经过多个突触的空间及时间整合，当所收到的信号强度足以触发动作电位（action potential），就会以电的形式把信号传递下去。
深入一点来说，化学信号令细胞内外的带电荷离子分量产生变化，从而令其电势差（亦即电压）改变，当达到一个临界值时，电压就会向前传递，而这值就是动作电位。细胞体（cell body / soma）内包含细胞核（nucleus），携带着遗传讯息 RNA，从而制造蛋白质并供给神经元各部分，尤其是轴突（axon）远端来维持正常运作。要把电信号由树突传递到神经元末端，就需要轴突。
电阻较高加快传送
轴突就如电綫，把动作电位向末端传递；髓鞘（myelin sheath）就像包裹着电綫的绝缘护套，防止电外泄，令电子信号维持足够强度，亦令神经脉冲（neural impulse）加快到达目的地。不过，这些「绝缘护套」并不会完全包围着轴突，从图四可见髓鞘是一节节的，中间的节点称为兰氏结（nodes of Ranvier），类似海底电缆每隔一段距离就有一个放大器维持信号强度；由于兰氏结没有任何东西覆盖轴突，因此容许离子进出细胞，从而维持动作电位的强度。对比有髓鞘包覆的低电阻部分，兰氏结电阻较高，促使电流进行跳跃式传导（saltatory conduction），增加大脑指令传送速度。当电流通过轴突到达远端的突触，信号就会传给下一个神经元。由此可见，身体与脑部的沟通，全都与电相关。
治疗层面：脊伤的电子装置
了解到脊髓在大脑指挥身体活动时所担当的角色，以及脊髓内的神经元是如何以电流进行沟通，因此，假若脊椎受伤，尤其是神经，将影响身体的活动能力，亦即瘫痪。藉着医学界对脊髓有更深入了解，世界各地专家团队研发不同策略与科技来尝试作出医治。
人工智能模拟大脑指令
我们知道脊髓损伤影响神经元的电流传递，若以人为方式把电流传到相应神经系统，就有可能使该神经所控制的肌肉重新活动。洛桑联邦理工学院（EPFL）的 Grégoire Courtine 和 Jocelyne Bloch 团队就设计了一个电子刺激装置：
- 首先，把人工电极阵列放进脊椎内，阵列由软物料承载，其良好生物相容性使之能够连结脊髓；
- 接着，这排电极会与电脑连接。基于我们对肌肉活动的认识，包括所须用到的神经、电流强度和频率等，这个人工智能系统能模拟大脑指令，令指定电极刺激相关神经，并在患者尝试活动时自动调整和同步电流强度与频率。
这装置在人体测试中得到良好的效果，使原本瘫痪的患者能够重新站立起来，甚至步行。而香港理工大学亦成功研发电流刺激器（PolyUStimulator），其特点在于体积比指甲还小，因此毋须手术已能放进患者体内。
图五：洛桑联邦理工学院（EPFL）研发的电流刺激器
补充资料
电流刺激骨骼生长
脊髓与脊椎息息相关，假如脊椎受损，就不能保护里面的脊髓。
现时，医治椎间盘退化、脊柱侧弯、脊椎骨折的方法，大都使用椎骨融合术（spinal fusion），即利用骨骼移植（bone grafting）以及螺丝等硬件把两节椎骨连接起来。但有研究发现，融合术有一至四成机会失败，原因包括骨骼生长不足导致两节不能缝合等，而原来骨的生长与电子刺激有很大关系。
早于1957年，科学家已发现骨头是压电的（piezoelectric），即受到物理压力时会内生电场（electric field），从而促进骨头生长，反之亦然。这也是为何经常不做运动，或身处太空时，由于骨头所受压力减少，出现骨质流失。
电场能发挥两大作用：
- 调节结缔组织（connective tissue）细胞的基因表达，从而促进细胞外基质（extracellular matrix）蛋白制造骨头和软骨；
- 促进生长因子的制成及基因表达，从而有助骨骼生长当中的步骤。
因此，一些人尝试直接施加电流刺激骨骼生长，从而提升骨伤复原的机会。医疗科技公司 Intelligent Implants 就研发出 SmartFuse TLIF Cage，一个能够安装在脊椎的小型电子装置，在动物模型中能令骨头生长快三倍，而且骨质更佳，有望将来用作临牀测试。
图六：Intelligent Implants 研发的 SmartFuse TLIF Cage
医疗科技日新月异，随着我们对人体的认知愈来愈深入，因而设计更多治疗方法，医治以前解决不到的疾病，就如我们对脑部和神经系统的了解，促使研发出电子装置使瘫痪患者可以重新活动。当然，医疗科技的先进，并不代表我们可以漠视身体健康，假若我们平日注意坐姿、保持适量运动的话，就能减少患上与脊椎相关疾病的机会。
延伸阅读：阿Mo病情转入复康赛道 父盼神经线能像小孩学习逐步灵活
文：刘心 图：网上图片、ExcelxImpact@PolyU、Research and Innovation Office@PolyU、Mayo Foundation for Medical Education and Research (MFMER)、The World of Implantable Devices
相关新闻：
MIRROR演唱会事故案 屏幕悬吊系统由协兴隆负责 每组屏幕重435.2公斤
最新回应