神經(jīng)細(xì)胞與骨骼在腦機與復(fù)建的關(guān)系 BCI-0952366

1、 神經(jīng)細(xì)胞與骨骼在腦機與復(fù)建的關(guān)係 BCI-0952366人工內(nèi)耳 聽力可能因為天生殘疾或後天的疾病而受損，輕微的聽力障礙，可以藉由助聽器輔助或進(jìn)行聽力復(fù)健而達(dá)到改善的目的。由於助聽器的功能在於收集聲波，並放大送到耳朵裡面，最後還是要透過聽神經(jīng)把訊號傳遞到大腦，對於內(nèi)耳神經(jīng)受損嚴(yán)重的患者，助聽器就無能為力了。這時必須藉由外科手術(shù)，植入人工內(nèi)耳才能改善聽力。 人類耳朵的聽覺機制，大致上是透過外耳廓收集聲波，通過聽道震動鼓膜，推動聽小骨（包括槌骨、砧骨及鐙骨）把聲波放大，傳到耳蝸上的卵圓窗，引起耳蝸內(nèi)淋巴液的流動，帶動耳蝸內(nèi)纖毛的擺動，使得與纖毛相連的神經(jīng)細(xì)胞產(chǎn)生微小的電位變化。神經(jīng)細(xì)胞再把訊號傳

2、進(jìn)大腦聽覺專區(qū)，經(jīng)過解讀後便產(chǎn)生了聽覺。 人工內(nèi)耳是藉由模仿人類的聽覺機制，使失聰者可以恢復(fù)聽覺，以取代原本喪失功能的耳朵。這項技術(shù)的起源，可以追溯到 1790 年，科學(xué)家在實驗中無意間發(fā)現(xiàn)，置於耳朵附近的通電電極會使人聽見雜音。不過這方面的研究一直要到 20 世紀(jì)中葉才有重大的發(fā)展，進(jìn)而實際應(yīng)用於醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。 人工內(nèi)耳系統(tǒng)包括外部的麥克風(fēng)、聲音處理器和發(fā)送器，以及內(nèi)部的接收器和電極。先由體外的麥克風(fēng)收集外界的聲音，並轉(zhuǎn)為電子訊號，傳送到聲音處理器加以放大或過濾，再藉由體外的發(fā)送器，將訊號傳送到植入皮下的接收器。 新一代的人工內(nèi)耳是以無線電波的方式傳送信號，代替過去利用電線穿過皮膚的方式，降低了

3、細(xì)菌感染的可能性。接收器再把聲音訊號傳送到植入失聰者耳內(nèi)的白金電極，進(jìn)一步把電子訊號轉(zhuǎn)成微小的電位來刺激聽神經(jīng)，使大腦產(chǎn)生聽覺。由於白金的低活性，置於耳內(nèi)不易和組織起反應(yīng)而變質(zhì)，安全性相當(dāng)高，但價格偏高是其缺點。 在我們的耳朵內(nèi)，聽小骨把震波傳進(jìn)耳蝸之後，由於耳蝸本身形狀、大小的變化，加上受到內(nèi)部淋巴液質(zhì)量和密度的影響，聲音在傳入耳蝸內(nèi)部的途中，頻率會由高至低被過濾出來，並且不同位置的纖毛也會對特定頻率的震波產(chǎn)生不同的擺幅。所以內(nèi)耳對於不同的頻率高低和震動大小，對應(yīng)出不同強度的神經(jīng)訊號，使我們可以分辨周遭不同的聲音。人工內(nèi)耳也必須具有類似的功能，才可以使佩戴者辨識不同頻率的聲音。 西元1970

4、年，麥克森和愛丁頓等人發(fā)展出以多電極直接刺激耳蝸內(nèi)聽神經(jīng)的人工內(nèi)耳系統(tǒng)，把各種不同頻率的接收電極放在耳蝸的不同區(qū)域，雖然能夠大幅提升對聲音的辨識率，但是距離正常聽覺仍有很大一段差距。近十幾年來，人工內(nèi)耳技術(shù)比起早年有了大幅的進(jìn)步，目前最新的人工內(nèi)耳已植入多達(dá) 24 個電極來刺激聽神經(jīng)，可以使部分失聰者不用藉由判讀唇語便可與人溝通，甚至可以像常人一樣講電話。 不過根據(jù)國外實驗結(jié)果顯示，對於大多數(shù)失聰者而言，即使佩戴目前最新型的人工內(nèi)耳，所能恢復(fù)的聽覺仍然有限，不及正常人的一半，對於日常生活中的背景聲音，分辨率仍然非常低。因此人工內(nèi)耳在聲音辨識率的發(fā)展上，仍有許多亟待突破的瓶頸。 目前電子內(nèi)耳的研

5、究方向，在於設(shè)計出更好的聲音處理程式、降低刺激電極之間彼此干擾產(chǎn)生雜訊的機會、改進(jìn)電池耐用度、元件材料的選用、以及體積微小化。藉由神經(jīng)生理學(xué)、電子學(xué)、電池設(shè)計、以及材料科學(xué)等學(xué)科的整合研究，未來一定可以研發(fā)出使人能夠完全恢復(fù)聽力的人工內(nèi)耳系統(tǒng)。 電子鼻 哺乳動物的嗅覺機制主要可以分成三部分：接受、傳導(dǎo)及顯示。不同氣味的分子，經(jīng)由呼吸進(jìn)入鼻腔，與鼻腔中嗅覺細(xì)胞纖毛上的嗅覺受體蛋白發(fā)生作用，形成各種不同的特殊鍵結(jié)，造成不同的神經(jīng)脈衝訊號。再藉由嗅覺神經(jīng)發(fā)出動作電位，傳輸?shù)酱竽X的嗅覺專區(qū)，透過大腦的判讀，利用從前的學(xué)習(xí)經(jīng)驗來判別氣味的種類。 電子鼻，顧名思義是利用電子儀器來模擬哺乳類動物的嗅覺機制。

6、電子鼻的技術(shù)是利用電腦模擬嗅覺受體蛋白與氣體分子之間的作用，進(jìn)一步以人工方式合成受體蛋白，並把人工受體蛋白製成接受膜，取代人類嗅覺細(xì)胞，用來連結(jié)傳導(dǎo)介質(zhì)。 傳導(dǎo)介質(zhì)則是以壓電石英晶體所製成的模組晶片，採用矩陣式排列，氣體經(jīng)由接受膜吸收後，增加的質(zhì)量導(dǎo)致諧振頻率的改變，透過諧振頻率測量出氣體物質(zhì)的質(zhì)量與濃度。並透過統(tǒng)計分析或人工神經(jīng)網(wǎng)路處理，與預(yù)先建立的資料庫比對出氣體的種類，最後透過電子螢?zāi)灰詧D像及數(shù)據(jù)顯示氣體的來源。由於要檢測的氣體分子往往非常微量，濃度通常在十億分之一的層級，所以接受膜的感測敏銳程度及專一性是這項技術(shù)的關(guān)鍵。 近年來，電子鼻的技術(shù)也應(yīng)用到疾病診斷上。大家或許都有經(jīng)驗，在某些

7、特殊病人的身上，可以聞到某些獨特的味道，因此可從特定疾病患者的呼氣檢體進(jìn)行疾病檢測。中醫(yī)廣泛運用的望、聞、問、切、觸等的診斷技術(shù)，其中也包括了聞。利用電子鼻來做診斷工作，只是把原本是人的鼻子，變成了電子儀器。 目前國內(nèi)也開發(fā)出若干電子鼻的技術(shù)應(yīng)用於疾病檢測。例如尿毒癥患者呼出的氣體中，含有微量的三甲基胺、二甲基胺等氣體，可以利用特殊的嗅覺受體蛋白進(jìn)行感測。目前尿毒癥診斷模組的技術(shù)已進(jìn)入臨床實驗測試，可以區(qū)別正常人與血液透析患者、腹膜透析患者、慢性腎功能不全、慢性腎功能衰竭等不同嚴(yán)重程度的腎臟疾病患者的呼氣檢體，準(zhǔn)確程度可達(dá)八成五。 此外，肝硬化患者本身會呼出微量的二甲基硫氣體，也可以利用相同的

8、技術(shù)進(jìn)行模組的研發(fā)，準(zhǔn)確程度可高達(dá)九成三。未來電子鼻的技術(shù)可以擴展到更多的疾病，如肺膿瘍、糖尿病、精神分裂癥、腸胃道疾病、肺癌等，可以提供快速的檢驗方法。人工肌肉 我們之所以能夠行動、舉起重物，靠的是肌肉與骨骼的協(xié)調(diào)運動。肌肉的最小單元是肌纖維，肌纖維由肌動蛋白和肌凝蛋白兩種蛋白質(zhì)交錯排列而成。當(dāng)肌肉收縮時，肌凝蛋白不動，而肌動蛋白往中間滑動，使得整體長度縮短；反之，當(dāng)肌肉伸展時，肌動蛋白則往外側(cè)滑動。 十多年前，美國太空總署為了在外太空工作，計劃開發(fā)新型的機器手臂，來完成傳統(tǒng)油壓機器手臂無法做的精密動作。藉由模仿人類手臂肌肉的動作，開發(fā)出多種材料，可以藉由電流的通過產(chǎn)生收縮現(xiàn)象，這類的材料稱

9、為電致動聚合物。 電致動聚合物的動作原理和肌肉收縮原理有些不同，隨著電位大小的變化，會產(chǎn)生不同程度的形狀改變。通電時，電致動聚合物內(nèi)部分子受到電位的影響，使分子排列從原本的結(jié)構(gòu)變成偏往某一端聚集，整個外觀看起來，就像是整條電致動聚合物如同肌纖維一樣彎曲、縮短或伸長。當(dāng)電位的方向改變時，又會使電致動聚合物向另一個方向彎曲。電致動聚合物的這種特性，為其贏得了人工肌肉的稱號。電致動聚合物主要可以分成電子型及離子型兩大類，工作原理都是利用導(dǎo)電使形狀改變，不過電子型是直接通電刺激，離子型則是透過溶液中帶電離子的移動來傳遞電荷。 人工肌肉可以應(yīng)用於機器手臂，由於聚合物的重量比金屬輕了許多，應(yīng)用於外太空可以

10、大幅減少載重。目前國外已經(jīng)成功利用電致動聚合物製造出機器手臂和機器臉，機器手臂已可做出如伸出某支手指這種精密的動作，未來可以開發(fā)出手術(shù)用的機械手臂，機器臉也有能力做出像是眨眼或動嘴唇的表情。 電致動材料的發(fā)展與應(yīng)用目前尚處於初期的階段，現(xiàn)有的電致動聚合物仍有許多缺點等待克服，如降低驅(qū)動電壓、增進(jìn)機械強度、加大變形程度、以及加快反應(yīng)速度等。除了上述機械手臂和機械臉的應(yīng)用外，電致動聚合物也被製成機器昆蟲或可以在水中游泳的機器魚。電致動聚合物也可以用在醫(yī)療方面，例如量血壓用的壓脈帶，甚至用來替換受損傷的肌肉組織。當(dāng)病患的肌肉壞死無法動作時，醫(yī)療人員便可利用電致動聚合物植入患處，配合適當(dāng)?shù)碾姶碳ぃ箽堈险呖梢灾匦禄顒?，不需要再倚賴輪椅和柺杖了。蘇利文裝上了可用思想控制的人工手臂，連接胸肌神經(jīng)，用意念支配，數(shù)秒就動作。 54 歲的美國工人蘇利文 (Jesse Sullivan) 在工作時觸電嚴(yán)重灼傷，雙臂截肢，現(xiàn)在他裝上了可用思想控制的人工手臂，成為全世界第一個生化電子人(bionic man）。 蘇利文最初也使用傳統(tǒng)義肢，後來前往芝加哥復(fù)健研究所就醫(yī)，裝上實驗中的生化電子手臂，主治醫(yī)生庫肯 (Todd Kuiken) 把機械手臂神經(jīng)連到胸肌健康的肌肉上，來控制手臂移動。 庫肯醫(yī)師說，如果蘇利文想要握拳，神經(jīng)脈衝會刺激