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科學人 6月號/2019 第208期

  • 雜誌名稱:科學人    新功能介紹
  • 刊別:月刊
  • 出版地區:台灣
  • 語言:繁體中文
  • 出版日期:2019/05/28
  • 定價:280
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封面故事

腦機介面重拾希望
 
新一代的腦機介面可讀取並執行癱瘓病人的意念,藉由機械手臂或電子設備完成病人長久以來的想望,例如舉杯暢飲。
 
撰文/安德森(Richard Andersen)
翻譯/謝伯讓
 
每次見到此景,我都會起雞皮疙瘩:癱瘓的受試者坐在輪椅上,以意念控制電腦或機械手臂。這是腦機介面(brain-machine interface)的功能展現。
2013年在我的實驗室中,21歲時受槍傷後便四肢癱瘓的索托(Erik Sorto)在無人協助下,只憑意念就可以自己喝到啤酒,這是他10多年來第一次辦到。腦機介面從他的高階皮質區送出神經訊號,接著機械手臂便能伸出,抓住並舉起酒瓶,再把酒瓶送到索托的嘴邊讓他啜飲。一年前我們團隊經由手術在索托的腦中植入電極,控制他腦中負責啟動肢體行動的神經訊號。我和實驗室同事驚歎地見證索托完成了看似簡單實際上卻困難無比的動作。
當人們看到這樣成功的案例,心中立即產生疑問:只憑意念如何控制機械義肢?每天我們不需深思就能移動四肢,而讓機器輕鬆完成這些動作就是所有先進腦機介面的目標。數十年來神經科學家試圖解碼那些啟動伸手取物的神經訊號,但一直無法精準讀取,於是科學家開始尋找新方法,希望能從腦中860億個神經元在溝通時傳送的電訊號看出端倪。現在,新一代的腦機介面前景看好,病患無論是想抓取杯子或走路,透過精準讀取病患腦中負責形成並啟動行為的訊號,我們將能讓大腦和機械義肢的連結無縫接軌。
 
鎖定關鍵腦區
腦機介面的運作是透過傳送(寫入)和接收(讀取),把訊號傳入和傳出大腦,這類科技大略可分為兩種型式。「寫入式」的腦機介面主要透過電刺激把訊號傳入神經組織,此技術已成功應用在臨床上。例如人工電子耳可刺激聽神經來幫助聾人聽到聲音;針對控制行動的腦區(基底核)進行深部腦刺激術,可以治療帕金森氏症和自發性震顫等動作障礙疾病;刺激視網膜的裝置已經進入臨床試驗階段,未來可望改善某些類型的視盲。
相較之下,「讀取式」的腦機介面目標是記錄神經活動,目前仍在發展階段。我們必須先克服讀取神經訊號時所面對的獨特挑戰,這項技術才能在未來進入臨床試驗。現在已有較為粗糙的讀取技術:腦電圖(EEG)可記錄數公分大小的腦部組織平均活動,這涉及數百萬個神經元的整體活動,而非單一神經迴路中單一神經元的訊號;功能性磁共振造影(fMRI)則間接測量活化的腦區中血流量的變化,fMRI能測量到比EEG更精細的腦區,但解析度仍不夠,而且fMRI測量的腦中血流變化是較緩慢的活動,無法顯示出腦中快速的神經生理變化。
若想克服這些限制,理想上要能記錄單一神經元的活動,並同時觀察大量單一神經元的活化頻率,才能得知特定腦區的完整資訊。近年來,透過在腦中植入微電極陣列,我們終於可以記錄這些訊號。目前我們使用4×4公釐、內含100個電極的平面陣列裝置,每根探針都突出電極陣列平面,長度1~1.5公釐,整個陣列就像一個釘床,可同時記錄100~200個神經元活動。
這些電極所記錄的訊號會傳送到「解碼器」中,接著透過演算法,這些單一神經元發出的各種訊號型態會轉譯成啟動特定行為的訊號,例如操控機械手臂或電腦。這種讀取式的腦機介面可幫助仍然有腦部活動的病人,例如脊髓損傷、中風、多發性硬化症、肌萎縮性偏側硬化症以及裘馨氏肌營養性萎縮症患者。
我們實驗室的研究重心放在四肢癱瘓的病人,他們因為頸椎受傷,無法移動手或腳。我們先記錄大腦皮質的活動,也就是約3公釐厚的大腦表層內的神經活動;如果把大腦皮質展開,每側半腦的皮質面積大約8萬平方公釐。隨著科學進展,蒐集到的資訊日益增加,科學家已找到越來越多專司某種特定功能的腦區,目前大約發現了180處,這些腦區負責處理知覺訊號並聯絡其他負責認知功能的腦區,最後做出決策或送出命令以啟動動作。
簡而言之,腦機介面可以和許多腦區互動,其中之一是主要皮質區(primary cortical area),這些腦區負責偵測輸入的知覺訊號,例如由視網膜進入的光線角度和強度,或周邊神經末梢引發的感覺。各個研究團隊鎖定的腦區還包括擁有高密度連結的聯合皮質(association cortex),此腦區連結了專司語言、物體辨識、情緒以及決策執行控制等各主要皮質區。
有好幾個研究團隊已開始記錄癱瘓病人腦中許多單一神經元的群集活動,以進一步在環境控制良好的實驗室中操控機械義肢。但是如果要像安裝心律調節器那樣輕易安裝神經義肢,得先克服一些主要障礙。相對於其他實驗室著重運動皮質,我們團隊正努力記錄聯合皮質的神經活動,希望能更快速且靈活地捕捉到傳達病人意圖的神經訊號。
我們實驗室鎖定聯合皮質中負責規劃啟動動作的後頂葉皮質(posterior parietal cortex, PPC)。我們在非人靈長類的腦中發現,PPC中稱為側內頂葉的腦區與啟動眼球轉動的意圖有關,PPC中另一個腦區與肢體運動有關,頂葉的伸手區(parietal reach area)則負責前臂運動;過去任職於日本大學醫學院的酒田英夫和同事也發現,PPC中的前內頂葉負責產生抓取的動作。
使用腦機介面控制機械義肢或電腦滑鼠時,選擇PPC這個腦區有許多優點。PPC可以控制兩側的手,而其他實驗室關注的單側半腦中的運動皮質,只能控制對側身體。PPC也可以反映出動作的目標,例如當非人靈長類在看到視覺目標並伸手抓物時,該腦區會立刻活化並顯示出目標物位置;相較之下,運動皮質的活動則顯示出伸手的路徑。如果我們知道動作的目標,腦機介面解碼就可以快到只需數百毫秒,但若是要解碼運動皮質中伸手路徑的訊號,則需要超過一秒。
 
 

編者的話

蛙樂
 
撰文/李家維
期盼中,墨黑的蝌蚪陸續蛻變為翠綠小蛙,牠們已經數天未進食,身體正進行大改造。不再濾食和刮食,由嘴到腸的整個消化道都要轉變為掠食者的新配備,這過程得靠逐漸萎縮消失的長尾來提供養份。我準備了足量的飛舞活果蠅,就看牠們能否順利捕食了。
3月底,國立自然科學博物館的青蛙專家周文豪送來了133隻莫氏樹蛙蝌蚪,我先佈置了漂著大萍的水盆、煮爛的菜葉和沉水魚餌,急切地問:「可以預期長成多少隻成蛙?」答案是能有10隻就不錯了!隔兩天,我到花蓮東華大學,見了主持「青蛙學堂」的楊懿如,立即提同樣問題,她說大約是5%吧!當然我知道這是蛙的宿命,牠們是食物鏈中的佳餚,蛇、鼠、鳥都愛這美味。也因此我在屋後山壁旁建的蛙舍,緊繃著細密網,蛇鼠鳥不侵,盼望明年此時有眾多成蛙在此繁衍。
全球現生的蛙類,約有7000種。牠們的祖先源自2億5000萬年前,看著恐龍興起,也見證恐龍的滅絕。現今蛙類正面臨空前的生存壓力,氣候變遷、棲地喪失和致命的壺菌,導致高達一半的物種處於滅絕邊緣。國際組織發起蛙類的拯救計畫,要募集四億美元,為1000種蛙續命。但至今錢未到位,成效不彰,自1980年起,已記錄了超過120種蛙的澈底消失。我在苗栗獅頭山住了20年,僅管山林未見擾動,但清楚注意到蝶蛾和蛙種類及數量的銳減。台灣原生36種蛙,其中有14個特有種,牠們的存亡只能靠台灣人自己救。於是今年初我起念演練蛙的保種計畫,先由最常見的莫氏樹蛙做起。
像是個做科展的小學生,過去這兩個月我興奮地觀察蝌蚪的挑食和神奇變態。肥大的蝌蚪先長出後腿,接著前肢的芽點出現,四肢俱全後,在夜裡拖著尾巴爬到大萍葉面上,再找個隱蔽處靜待縮尾完全,一隻精瘦但能攀爬蹦跳的小蛙就成形了。暗夜中蛙舍漆黑,我得用手電筒來翻找小蛙,曾想過若裝上微弱照明,可能有助於牠們捕食果蠅。其實是我自己多慮了,請享讀本期〈黑暗中,牠為什麼看得見?〉。
 

雜誌目錄

【關於封面】新的腦機介面技術把針床般的微電極陣列,置於癱瘓病患腦中負責形成行動意圖的區域,藉由讀取病患行動的意念,並偵測機械義肢回饋的感覺訊息,病患就能操控義肢、流暢執行動作。
 
神經科技
34 腦機介面重拾希望
文/安德森(Richard Andersen)
新一代的腦機介面可讀取並執行癱瘓病人的意念,藉由機械手臂或電子設備完成病人長久以來的想望,例如舉杯暢飲。
 
資訊科學
44 AI能有想像力嗎?
文/馬瑟(George Musser)
教導AI學習創意和常識等人類特質,讓AI更像人類,甚至具有意識。
 
50 由人工智慧到人需智慧
文/林軒田
當電腦能滿足人類需求,便可贏得人類的信任,從而讓我們的生活更有「智慧」。
 
地質學
54 超級火山未爆彈
文/歐爾森(Steve Olson)
火山爆發內情不單純!針對北美聖海倫斯火山的新研究發現,火山底下的岩漿通道比原本所想的複雜。探究管道分佈及火山活動跡象,有助提升火山爆發預警能力。
 
神經科學
62 暴力的神經迴路
文/菲爾茲(Douglas Fields)
藉由動物與人體實驗,已逐漸找出侵略與暴力行為在腦中的運作模式!
 
動物行為
70 動物的悲慟世界
文/金恩(Barbara J. King)
動物是否和人類一樣會表達情感,甚至感到哀慟?動物學家也不敢妄下斷言。不過,動物情緒研究持續至今,累積許多動物哀慟的案例,逐漸找出影響動物表達哀慟的因素。
 
生物學 
76 黑暗中,牠為什麼看得見?
文/丹斯(Amber Dance)
科學家過去認為動物在光線微弱時無法看清楚周遭環境,其實動物的神經系統運用了一些招數,讓自身擁有絕佳夜視力。
 
能源 
82 核燃料大改造
文/麥凱倫(Rod McCullum)
四家核能公司採用不同方法來改善核燃料,既有的核電廠僅需小幅調整,就可變得更安全、發電效率也更高。
 
科學人觀點
6 族譜藏基因,兇嫌終現形 文/曾志朗
 
總編輯的話
8 養蛙 文/李家維
 
10 讀者論壇
   
12 科學人新聞
削弱風暴浪
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一覽世界科技進展
機器說出你想的話
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形上集 
25 為什麼非彎曲時空不可(一) 文/高涌泉
 
教科書之外
26 搞笑?不搞笑?那是個問題! 文/周成功、圖/陳文盛
 
網上世代
28 基因資料真能個人自主嗎? 文/莊庭瑞
 
專家看新聞
88 窮人沒有生病的權利 文/菲力普斯(Janice Phillips)
 
健康與科學
90 睡眠障礙促進失智症? 文/華立斯(Claudia Wallis)
 
新創未來
92 關掉臉書的情緒幫浦 文/羅許(Wade Roush)
 
科學用於社會
94 運動追蹤裝置非必需 文/涂費克奇(Zeynep Tufekci)
 
反重力思考
96 狗射人續集 文/米爾斯基(Steve Mirsky)
 
生物手記
98 海中蝴蝶──有殼翼足類 文/謝泓諺
 
科學人書摘
102 宇宙的美妙規律 文/摘自《在緬因州的小島上追逐繁星》
 
圖表會說話
106 噤聲科學 文/菲謝蒂(Mark Fischetti)
 

內容簡介

《科學人》雜誌-全球科普雜誌第一品牌

自2002年創刊以來共11年榮獲出版界最高榮譽雜誌出版金鼎獎!身為全球科普雜誌的第一品牌,《科學人》一直領先報導全球最先進的科學脈動與產業趨勢,除生命演化及天文奧秘的探索外,也包括成就未來經濟創新的各種工具:「NBIC,Nano-Bio-Info-Cogno(奈米科技、生物科技、資訊科技與神經科技)」,及其聚合衍生的「長壽醫學」、「未來能源」、「淨化科技」、「即時通訊」、「人工智慧」及「前進太空」等產業趨勢內容。除了原Scientific American文章精確編譯外,台灣延伸企劃採訪篇章更佔40%以上,藉由淺顯易懂的編輯呈現方式,帶給產業精英、知識家庭、高中及大專院校師生最具未來性的知識力。

《科學人》雜誌即將於2017年2月滿15週年!15年來,在「廣」的方面,《科學人》月月帶給台灣讀者科學新知、科學新聞、重要科學研究;而在「精」的方面,《科學人》推出15週年特別獻禮:「博學誌」系列文集,滿足您在單一領域更深入、更全方位的知識渴望。

「博學誌」系列文集

問,時間為何物?(2016/9/20全新出版) 台灣大學物理系教授 高涌泉 專文導讀

窺探大腦(2016/10/20修訂版)  中央研究院院士 曾志朗 專文導讀

發現天文之美(2016/11/20修訂版) 國立自然科學博物館館長 孫維新 專文導讀

掌握數位生活(2016/12/20全新出版) 台灣大學資工系教授 林守德專文導讀 活靈活現動物行為(2017/1/20全新出版)金鼎獎科普作家 張東君 專文導讀

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