神經科技讓脊髓損傷者再次行走

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撰文|陳敦理

●脊髓損傷的原因

造成脊髓損傷 (spinal cord injury) 的原因大多為意外像是車禍、高處墜落、跌倒,也有職業傷害如被重物壓傷、運動傷害、甚至暴力衝突刀槍傷等。在美國DC 漫畫公司超級英雄電影「超人」扮演超人一角的演員 Christopher Reeve,1995年五月因騎馬意外脊髓受傷全身癱瘓,接著近十年與其奮戰不懈,逐漸引起民眾、政府對脊髓損傷醫療的重視,最後仍於2004年永遠步下人生舞台。

●什麼是脊髓損傷?

脊髓是一大束的神經纖維,主要功能是傳遞訊息進出腦。成人脊髓約有四十五公分長,由環狀的脊椎骨 (俗稱「龍骨」) 所保護,脊神經從脊髓向外延伸來控制特定肌肉收縮產生動作或腺體分泌。面對突發狀況脊髓也可以不經過大腦思考立即對外來刺激產生反射來爭取時間減少傷害,像是手在燙到時突然縮回。

脊髓損傷是脊髓的急性創傷,往往是在巨大外力衝擊下連脊椎也先後受傷。脊椎功能是支撐身體、也保護脊髓、形成脊神經通過的管道。脊髓受傷會導致行動、感覺功能喪失,這些傷害造成的影響取決於脊髓損傷的種類和程度。脊髓損傷的種類是以相對應脊椎的位置、節數做為區分,由頭部向下依序為頸椎  C1- C7、胸椎 T1- T12、腰椎 L1- L5等。舉例來說受傷部位若是高於第四節頸椎 C4,病患除了四肢癱瘓外可能需要呼吸器才能順利呼吸;若是在第七節頸椎 C7或第一節胸椎 T1 位置受傷,呼吸完全正常也可以伸直手臂,但是手指可能無法活動。受傷部位愈靠近頭部受到影響的範圍和程度愈大。

●脊髓損傷新療程

脊髓損傷治療的困難與複雜在於它集合各種層面的傷害,如神經纖維斷裂、細胞死亡、突觸髓鞘喪失、神經膠疤 (glial scar) 、囊腫形成 (cyst formation) 、發炎反應、血管受損而氧氣供應減少等,只用單一面向治療很難得到顯著效果。而三名半身不遂的病患接受電刺激 (electrical stimulation) 治療的新療程後卻能再次行走。

來自瑞士洛桑大學醫院Lausanne University Hospital (CHUV)、 洛桑聯邦理工學院 (EPFL) 的科學家Jocelyne Bloch、Gregoire Courtine 和團隊研究發現多年前脊髓受傷而癱瘓的病患因著植入裝置對脊髓所發出的電刺激而能在拐杖、助行器協助下再次行走 。病患經過幾個月的訓練便能夠在沒有電刺激時自行控制大腿肌肉。這都要歸功於結合標靶電刺激和體重支持裝置的全新復健療程。人體神經系統對新療程的反應比研究團隊原先預期更有效,病患的神經功能得以持續到訓練結束後甚至電刺激關閉時,這一發現受到國際關注。這種新療程和其他脊髓損傷研究最大不同在於其他研究中病患多半是在機械輔具協助下行走。其他療程也有採用持續電刺激,雖然有些病患能在電刺激和助行器輔助下行走,卻只能在電刺激開啟時走上一小段距離,一旦電刺激關掉病患就再次癱瘓無法自行移動雙腿。

研究團隊在此之前花費許多時間研究實驗動物大腦如何啟動脊髓,才終於獲得對其基礎機制的深入了解。他們發現病患要能做出想要的動作,電刺激位置、時機精確度都非常重要,因為要同時間同地點發出電刺激才會長出新神經連結。研究團隊決定在脊髓植入精心策畫的電極陣列來活化脊髓上特定區域、刺激大腿獨立肌肉群, 模擬人體行走時大腦發出的訊息。新療程對病患的挑戰在於如何協調電刺激與大腦下達行走的指令。然而三名受試者全都在短短一週校正後就能夠在體重支持裝置協助下行走,經過二十週訓練病患自主控制肌肉的能力有「長足」的進步,甚至可以在電刺激和體重支持裝置協助下不扶東西走上1000公尺而沒有肌肉酸痛。這證據顯示以高強度長時間訓練方式對神經系統辨識神經纖維來說很重要,讓運動能力得以進步。研究團隊也將會對早期脊髓損傷病患進行試驗,這些病患的神經、肌肉還沒有因為長期癱瘓萎縮,有更高復原力。研究團隊的目標是將此神經科技新療程更進一步修正推廣讓脊髓損傷病患在各地醫院診所都可以進行治療。對於神經科學研究來說,這項新發現往前走了一步,但對脊髓損傷癱瘓的病患來說,卻是實現遙不可及的夢想─ 再次行走。

 

參考資料

1. Fabien B. Wagner, Jean-Baptiste Mignardot, Camille G. Le Goff-Mignardot, etc. Targeted neurotechnology restores walking in humans with spinal cord injury. Nature, 2018.
2. 脊椎與脊髓創傷。衛生福利部中央健康保險署。
3. 張志任。脊髓損傷評估與治療。高醫醫訊。2010。

 

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