重建本體感覺？淺談肌肉神經介面｜Agonist-antagonist Myoneural Interface (AMI)
無所不在的本體感覺
我們的身體隨著活動在改變，不必盯著每一部位便知道其相對位置，當下的運動狀態，或是拿到手搖飲能立刻掌握所需的力道，這種看不到卻與生活息息相關的感官，稱為本體感覺(proprioception)。本體感覺粗分為三類：位置感(position sense)、運動感(kinesthesia)和力感(sense of force) [1] ，可說是內建在體內想關也關不掉的感官，協助人們精準地控制自己的身體。
本體覺主要源自肌肉的形變幅度和主動收縮程度
人如何產生本體感覺？Proske和Gandevia認為構築本體感覺的器官有皮膚、關節和肌肉，但是肌肉的貢獻最大。肌肉有兩個感覺受器：肌腱感受器和肌梭，感覺受器隨著肌肉型體或長度的改變，以不同頻率傳遞訊號到大腦中的體感覺皮質；出力時，運動皮質的指令一方面指揮肌肉纖維發力，一方面回傳給感覺皮質，和感覺受器的回饋一起組成出力程度的感受 [1,2]。
失能的體感
老化、中樞神經和周邊器官的損傷，都可能造成本體感覺失能。自然老化過程身體逐漸改變，包含肌肉在內的結締組織也不例外，本體覺因此不如年輕時敏銳，增加老人失去平衡的風險。[3] 中樞神經問題常見如腦中風，患者一旦閉上眼睛，癱瘓側像消失般感受不到肢體的存在，另外力道的控制也有問題，使得肢體運動不如常人流暢。[4]
而周邊傷害最嚴重者，屬於截肢，經過手術移除一段肢體來保存患者性命，雖然日後可以藉由傳統義肢恢復部分活動力，喪失的本體覺難復原，讓動作學習變得困難，有時更衍生出幻肢痛。
肌肉神經介面
為了克服上述的問題，麻省理工學院開發新的義肢腿技術：肌肉神經介面，英文稱為Agonist-Antagonist Myoneural Interface(AMI)。
通常有兩個肌群拉動肢體朝向相反方向，一群稱為主動肌(agonist)，另一群則為拮抗肌(antagonist)。生長自於骨盆和大腿的肌群，雖然小腿截肢把膝蓋以下的組織移除，大腿處的肌肉還存在，將殘留的主動肌和拮抗肌手術縫合，如此其中之一收縮，便會拉動另一條產生形變，同時體表電刺激協助引發肌肉收縮，模擬自然的感覺回饋，並同步啟動義肢做出對應的膝蓋彎曲或伸直。[5]
該研究團隊後來將AMI技術擴展到足踝義肢，膝蓋只有彎曲和伸直，一組的運動方向，足踝更複雜具有彎曲-伸直(plantar flexion-dorsiflexion)和內翻-外翻(inversion-eversion)兩組動作，[6] 足踝的動作控制好，能夠適應更多地形，譬如高低不平的地面，降低跌倒的機率。
有趣的是，一名患者使用AMI一段時間後，義肢出現類似原肢的自然反應，像是聊天時輕微地抖動。當女兒詢問他接上義肢有什麼感覺，患者說義肢已經不是機械，而是自己身體的一部分。[7*] AMI的機制，讓使用者和義肢快速產生具身化(embodiment)。
*註：雖然Hugh Herr的TED演講深入淺出地說明AMI的重要研究成果，後段的生化人類演化論點，沒有現代科學依據。
Srinivasan和其他學者進行功能性核磁共振實驗，觀察29名受試者腦部的血氧梯度訊號，反映神經元的活動。[8] 參加研究的患者，截肢時間至少有6個月，術後穿戴義肢的時間每天至少11小時。發現同樣是移動(義肢)腳踝，相較於使用傳統義肢，AMI的患者和一般人的主要體感覺皮質區(BA3a)，即處理本體感覺的核心區，出現類似血氧梯度變化曲線，代表AMI的患者和一般人處理本體覺的神經歷程相似；另外血氧梯度訊號增幅大於傳統義肢使用者，且變化幅度與肌腱形變量呈正比，表示AMI能產生較豐富的本體覺回饋到大腦皮質。
這一系列研究令人驚奇，啟發自一個簡單的概念–連結殘肌，最大程度地利用患者自己的身體，仿擬本來失去的本體感覺和肢段，連接運動指令和感覺回饋，搭建理想的閉鎖式生理迴路(closed biological loop)，「完整」的個體。讓我想起一段老舊的廣告詞：科技始終來自於人性，先進的科技雖然酷炫，在醫療層面，最重要仍是人類不可被輕忽的自癒力。
參考資料(References)
- Proske U & Gandevia SC. Physiol Rev. 2012;92(4):1651–1697
- Proske U & Allen T. Exp Brain Res. 2019;237(3):589–599
- Shaffer SW & Harrison AL. Phys Ther. 2007;87(2):193–207
- Sathian K et al. Neurorehabil Neural Repair. 2011;25(5 Suppl):21S-32S
- https://www.media.mit.edu/projects/agonist-antagonist-myoneural-interface-ami/overview/
- Clites TR et al. Sci Transl Med. 2018;10(443):eaap8373
- Hugh Herr in TED: How we’ll become cyborgs and extend human potential
- Srinivasan SS et al. Sci Transl Med. 2020;12(573):eabc5926