用新的电子装置、传感器和电极来代替人类的感觉神经和运动神经早已不是纸上谈兵,“脑机接口系统”、人工视网膜技术以及耳蜗植入术已经让一部分患者重获视觉、听力和活动能力。随着科技的进步,新的电子技术将给神经系统严重受损而造成瘫痪、失明和失聪的不幸患者带来更多新的希望。
瘫痪、失明、失聪:科学技术能有回天之力
人工视网膜假体利用外装的图像处理装置捕捉和处理图像信息,对视网膜进行电刺激,产生可视图像
神经系统受损,可造成多方面的残酷现实。比如,内耳神经细胞若有损伤,就无法将压力波转换成神经脉冲,人就会失去正常的听力;由于遗传原因而造成眼睛光感细胞缺陷的人会被无情剥夺光明;脊髓受损者往往会因运动神经瘫痪而失去活动能力。
一些辅助性的电子装置已经开始用来代替损坏的神经细胞,在有限的范围内代替或者恢复部分感觉神经和运动神经的功能,这类技术有的尚处于实验阶段,有的已被用于常规性的治疗中。对于许多患者来说,高科技的“神经修复术”在一定程度上让他们恢复了正常的生活。
处于实验阶段的运动控制系统在瘫痪的肢体和大脑之间重新建立起联系,从而战胜瘫痪。所谓的运动控制系统,有的是利用病人部分尚能活动的肌肉的运动,有的则是直接通过大脑“解读”病人的活动意图。这类系统可以通过操纵计算机屏幕、人工假肢或者病人自己的身体使病人恢复活动能力。
人工视网膜技术的最新成果表明,某种类型的失明可以部分得到逆转。比如,人工摄像装置将信号发送到某个对视网膜产生刺激的电极,受到刺激的视网膜再将信号传送到大脑。这一技术目前尚处于起步阶段,但它最终有望让一部分失明患者具备最起码的视力,比如识别人的面貌,甚至是阅读书报。
美国加州大学神经系统科学家迈克尔·莫山尼奇(Michael Merzenich)说,神经修复术主要利用大脑这是一个关键性的事实:即从根本上来说,大脑是一部学习的机器。神经修复术产生的信号比正常神经系统的信号要弱得多,因此利用神经修复技术来观察和了解世界的病人必须通过学习和体验来逐步适应。
莫山尼奇认为,另外一个挑战就是要设计出“聪明的神经假体”,使由于神经系统损伤而造成某种能力受限的患者能够通过假体努力延伸其在这方面的能力。
那么“神经修复术”能让瘫痪病人重新站起来吗?
“脑机接口”让瘫痪病人站起来
肌肉刺激系统
在美国,脊髓严重受损的病人每年高达1万,主要是由交通事故造成的。伤势越重,瘫痪也越严重。颈椎受伤者有可能造成四肢瘫痪,手脚都无法再移动。
今年2月在美国旧金山举行的科技进步会议上,提出了通过电刺激帮助四肢瘫痪病人恢复活动能力的两套方案。一种方法是用一根安置在大脑中的电极来“读懂”病人的意愿,另一种是通过电刺激系统激活病人尚能活动的肌肉,由此发出控制信号。
美国华盛顿天主教大学的亨特·佩卡姆(Hunter Peckham)认为,即使是一些严重瘫痪的病人,部分肌肉仍然具有残留的活动能力,因此他认为,“即使是一些神经系统受损严重的病人,仍然具有对肌肉的部分控制能力。”病人甚至还可以利用这种控制能力来调节控制假肢的活动。
佩卡姆参与研制的装置可“读出”病人仍然能够控制的那部分肌肉收缩发出的电信号,并通过对神经系统可以控制的部分肌肉产生电刺激,每一种有意识的运动都代表病人的某种意图,比如,病人可以通过腕部或者肩部的肌肉来控制手的活动。
通过全面诊断之后,对患者尚有活动能力但由于不经常使用而力量较弱的肌肉进行几周的电刺激强化训练。然后安上电极、传感器和刺激器。通过一个较短时期的恢复之后,开始训练病人使用该系统。
每个病人的瘫痪程度都有所不同,该系统可为每个患者量身定做。佩卡姆说:“标准设备可以对12条肌肉进行刺激。”
迄今为止,已有11位病人使用了这一尚处于实验性阶段的系统———用来控制病人的一条手臂或者两条手臂。通过该系统,病人可以恢复一些日常活动,从吃饭、喝水、梳洗、刷牙、刮胡子到拿笔、写字和打字。
目前这一领域内的研究方向主要是针对脊椎受伤的病人,佩卡姆希望这一技术也能造福于其他神经系统受损的病人,如脑瘫病人、多发性硬化症病人以及中风病人等。
第二种治疗瘫痪的技术方案不需要通过电信号来控制肌肉,因而能够适用于一些“闭锁症”病人,这些病人“想动,但动不了”。那就是一种被称为“脑机接口技术”(Braingate)的系统,可通过植入大脑中的电极来“读懂”病人的心意,达到控制肌肉活动的目的。100根细如发丝的电极通过电缆与颅外处理器连接起来,对信号进行“解码”处理后转换成运动指令,可直接对计算机、轮椅或者假肢进行控制。
一些接受该系统治疗的病人可以将计算机屏幕上的光标从一处移动到另一处。病人能够移动光标,意味着可以使用计算机,一位在大脑里移植了电极的病人,在电脑屏幕上打出了“Iloveit!”几个词,这位瘫痪病人在失语9年后第一次重获了与外界联系的能力。还有一位在大脑中植入电极的病人,通过大脑中的想像来移动假肢,植入他大脑中的一根小小的电极“解读”了他的心意,通过处理后,表达意愿的信号就被传送到了他的假肢上。这种“大脑阅读器”还能用来刺激病人本身的肌肉,恢复瘫痪病人的双手和双臂的功能;或者控制计算机屏幕上的光标移动。
先进的电子技术能让瘫痪病人重获活动能力,那么能否让失明者重见光明呢?
“人工视网膜技术”让失明者重见光明
植入式视觉系统
色素性视网膜炎(RP)是一种遗传性疾病,从眼睛的边缘部分开始,它将逐步剥夺病人的视力,直至“关闭”整个视网膜感光细胞层。由于视力系统的其他部分仍然完好无损,在用微型摄像装置代替凋亡感光细胞的电子视力系统的研究中,RP可取得最佳的测试结果。
这种电子装置的原理是,视网膜植入物向神经节细胞发送信号,通常它们是从光感受器,即视杆细胞和视锥细胞接受信号。视觉信号进入眼睛后,电极激活视网膜上的神经节细胞,产生简单的图像。
南加利福尼亚大学的眼科专家马克·胡马云(Mark Humayun)的实验表明,由于RP患者眼睛内仍存活着许多神经细胞,用电极刺激神经节细胞(这一工作通常是由视杆细胞和视锥细胞的感光细胞完成的)可让RP病人恢复部分视力。
已有6位病人接受了这种植入手术,16个电极刺激产生的视觉与正常的视力相比是微不足道的,但对于病人还是很有帮助。它们产生的是如像素一样的光点,结合在一起就能看到物体的大致轮廓,可帮助病人确定周围的环境。
研究人员下一步准备将电极数量增加到60个,如果进展顺利的话,希望能够向植入256至1000个电极的目标努力。如果能够达到那样的程度,视觉假体植入技术对于更多的眼病患者来说将具有实际意义,比如普遍性的眼底黄斑病变等。
对于完全失明的患者来说,16个像素的视网膜植入物就能产生令人惊异的效果,胡马云说:“令人难以置信的是,许多病人告诉我说,能够看见一点光亮,就能让他们分辨出哪里是出口处,分辨出物体的移动,家庭成员的个头高矮和桌椅的位置等。对于我们具有正常视力的人来说,这些都太微不足道了,与我们视物的清晰度是无法相比的,更别说我们还能分辨出各种色彩。16个像素的视觉能力是远远不够的,这些病人所获得的视觉功能也是很有限的,但是对于他们来说,这些已足以使他们的生活质量得到极大的改观。”
那么电子技术也能让耳聋患者恢复听力吗?
耳听为实:精益求精的“耳蜗植入术”
耳蜗内的小电极可激活听觉神经,并将电子信号传送到大脑
人工耳蜗植入术已广为流行,它的原理是利用电信号刺激耳蜗,产生神经信号送达大脑,大脑将其解读为声音信号加以接收。
作家迈克尔·乔洛斯特(Michael Chorost)于1964年失去了大部分听力,2001年完全失聪。他说:“那真是可怕的一天,但我在耳朵完全听不见了的第一个小时里,就立即想到了耳蜗植入术,我早就听说过了这一技术,它让我看到了希望。”
但是耳蜗植入也并非“万灵药”,他说:“首先,它与我原先想像的完全不一样,听别人说话时发出的都是快而不清的紊乱声音,但每个人都安慰我说,只要坚持下去就能行。”经过两年时间,他才逐渐适应,如今他的“听力可靠性已相当不错”。乔洛斯特将他的体验在《重塑人生》一书中作了详细的描述。
大多数病人只植入一个耳蜗,但新的研究表明,如果植入两个耳蜗,将能更有效地定位声源。最近,研究人员对55个接受一个耳蜗植入的耳聋儿童进行了一项实验,他们的周围是一圈扩音器,大部分受试者都不能正确辨别声音的来源。这项实验表明植入第二个耳蜗对患者来说多么的重要。实验结果还表明,安装了假体后的学习过程也相当重要,经过一段时间的体验,孩子们对声源的定位能力就有很大的提高。
大脑的学习适应能力是人工假体研究者需要开发的一个重要部分,人的听觉系统有多达3.2万个听毛细胞,因此有3.2万个信道通过听觉神经系统向大脑输送信息;相比之下,人工耳蜗就要简单得多了。人工耳蜗最多只能提供22个信号传送通道,因此莫山尼奇指出,通过耳蜗植入获得的听力,必须通过学习以适应,让大脑逐渐适应这种新的信息获取方式。大脑如果不能进行这种适应和改变,就无法达到恢复听力的效果。
大脑在学习的过程中不断地有所变化,这种变化可以一直延续到成年。在我们学习新的技能,获得新的能力时,大脑也在不断地改变和重塑。耳蜗植入技术的成功还表明,大脑能够适应极其有限的感官信息输入,我们面临的挑战就是通过大脑这种强大的可塑性来强化和充分发挥人工假体的作用,让科技战胜瘫痪、失明和失聪,重新获得美好人生。