醫療神經刺激器助癱瘓患者恢復活動能力脊椎結構、神經運作｜STEM教室

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更新時間：14:00 2024-12-04
發佈時間：14:00 2024-12-04

根據世界衞生組織（WHO），世界每年有約二十五萬至五十萬人患有脊髓損傷。縱然我們經常強調促進脊椎健康，如保持良好姿勢等，但很多個案其實都源於意外，例如交通事故等。曾有一名保安員在走樓梯「巡樓」時，不慎從兩、三級高度向前仆，在頭部碰地時，已令頸椎受傷。我們當然想避免這些連環不幸事件，但意外一旦出現了，我們又能如何應付呢？近來科學家研發了一些安裝在脊椎的電子裝置，有效治療脊髓損傷。甚麼？用電？這麼「大陣仗」？就讓我們看看是如何做到吧！

根據世界衞生組織（WHO），世界每年有約二十五萬至五十萬人患有脊髓損傷。

頸椎受傷可致全身癱瘓。

初步認識：脊椎結構

在了解如何治療脊椎或脊髓損傷前，我們應先認識一下這個我們肉眼看不到，卻支配我們全身機能的身體部位。

我們常說大腦是我們做所有行動的「指揮中心」，但其實脊髓的作用也是不遑多讓。如果說大腦是用作接收、分析、儲存每個部位傳過來的信號，並發放信號回這些部位，那麼脊髓就是連接腦部與身體各部位的橋梁。

當身體不同部分的神經接收到外界事物時，信號會先由「小路」走到脊髓這條「高速公路」，再到腦部；而當大腦處理資訊並發出指令後，亦會經「高速公路」分岔至各「小路」。我們稱這些小路為「外周神經系統」（peripheral nervous system，PNS），而「高速公路」及「指揮中心」則合指為「中樞神經系統」（central nervous system， CNS）。要保護中樞神經系統，腦部有頭骨（skull）包圍，而脊髓（spinal cord）則有脊椎／脊柱（vertebral column）保護。

圖一：CNS（中樞神經系統）及 PNS（外周神經系統）位置分布

脊髓就是連接腦部與身體各部位的橋梁，當大腦處理資訊並發出指令後，訊息經由中樞神經系統（CNS）再傳送到外周神經系統（PNS）。

脊椎由椎骨（vertebra）及椎間盤（intervertebral disc 或 disc）組成，除了保護脊髓，還有支撐身體、控制身體移動、避震（椎間盤專屬）等作用。我們一般把椎骨分成五組，包括頸椎（cervical vertebrae）、胸椎（thoracic vertebrae）、腰椎（lumbar vertebrae）、骶骨（sacrum）及尾骨（coccyx），每組都有相應血管提供養分及神經分岔去 PNS。

圖二：脊椎結構

男團 MIRROR 前年7月在紅館舉行演唱會期間巨型電視屏幕墮下，舞蹈員李啟言（阿Mo）遭壓中致頸椎骨第4節爆裂。

延伸認知：脊神經

由脊髓延伸出去的神經稱為脊神經。與椎骨一樣，我們都把這些神經分為五組：

頸椎神經（對頸部、肩膀及手臂提供知覺，並控制與呼吸有關的肌肉）
胸椎神經（控制胸和腹的活動，因而影響平衡及姿勢；亦影響交感神經，因而控制血壓、心率、排汗等）
腰椎神經（支援下背、臀部及雙腿）
骶椎神經（負責腿下部及盆骨附近器官，如膀胱）
尾椎神經

因此，醫生從檢查我們有甚麼位置不能動彈或運作異常，來推測患者脊椎或脊柱的哪個位置受傷。值得留意的是，正如交通意外發生時，後面的車輛無法向前走，假若某一處脊神經或脊髓出現損傷，由此處以下的所有脊神經都再無法好好與腦部連接，因此所有相關的功能亦不能運作。例如一個人的頸椎受傷，除了呼吸困難，其四肢亦有可能不能移動。

醫生從檢查我們有甚麼位置不能動彈或運作異常，來推測患者脊椎或脊柱的哪個位置受傷。

圖三：脊神經位置

C1至C8是頸椎神經、T1至T12是胸椎神經、L1至L5是腰椎神經、S1至S5是骶椎神經、Coccygeal nerve 是尾椎神經，合共31組神經。

測試反應判斷活動能力

除了觀察哪些身體機能受影響，醫生在了解傷者情況時，還要知道脊髓的損傷程度，例如是否整個橫切面都受損害。期間會進行薦髓機能保留（sacral sparing）測試，包括檢查肛門周圍有沒有感覺、肛門能否自主收縮，以及大拇指可否屈曲；如果沒有反應，就代表完全脊髓損傷（complete spinal cord injury），反之，則是不完全脊髓損傷（incomplete spinal cord injury），傷者很可能仍有感知能力，甚至有部分活動能力。通過了解受傷位置及程度，便可作出相應程序處理。

醫生通過了解受傷位置及程度，便可作出相應程序處理。

神經運作：信號傳遞與電相關

我們初步認識了脊椎及脊髓的結構，但究竟與「電」有甚麼關係？這裏，我們就要了解大腦是如何通過脊髓與身體各部位溝通。

首先，身體各部位（如皮膚）感知了外界資訊後，經過背根（dorsal root，一種輸入神經束）進入相應的脊神經，信號再經由脊髓傳至腦部；而當腦部下指令時，亦會經過脊髓和脊神經，這時信號就會由腹根（ventral root，一種輸出神經束）傳到各運動細胞（如肌肉）。這些神經系統，全都由神經細胞（nerve cell），又稱神經元（neuron）構成。

圖四：神經元結構圖

神經系統全都由神經元（neuron）構成。

化學信號改變電壓

如圖四所示，信號會由樹突（dendrite）開始傳遞，樹突頂端為突觸（synapse），接收上一個神經元的化學信號——源自腦部所發出的指令，可以是刺激性或抑制性的神經傳遞物（neurotransmitter），經過多個突觸的空間及時間整合，當所收到的信號強度足以觸發動作電位（action potential），就會以電的形式把信號傳遞下去。

深入一點來說，化學信號令細胞內外的帶電荷離子分量產生變化，從而令其電勢差（亦即電壓）改變，當達到一個臨界值時，電壓就會向前傳遞，而這值就是動作電位。細胞體（cell body / soma）內包含細胞核（nucleus），攜帶着遺傳訊息 RNA，從而製造蛋白質並供給神經元各部分，尤其是軸突（axon）遠端來維持正常運作。要把電信號由樹突傳遞到神經元末端，就需要軸突。

腦部發出的指令後，信號會由樹突（dendrite）開始傳遞到身體各部份。

電阻較高加快傳送

軸突就如電綫，把動作電位向末端傳遞；髓鞘（myelin sheath）就像包裹着電綫的絕緣護套，防止電外泄，令電子信號維持足夠強度，亦令神經脈衝（neural impulse）加快到達目的地。不過，這些「絕緣護套」並不會完全包圍着軸突，從圖四可見髓鞘是一節節的，中間的節點稱為蘭氏結（nodes of Ranvier），類似海底電纜每隔一段距離就有一個放大器維持信號強度；由於蘭氏結沒有任何東西覆蓋軸突，因此容許離子進出細胞，從而維持動作電位的強度。對比有髓鞘包覆的低電阻部分，蘭氏結電阻較高，促使電流進行跳躍式傳導（saltatory conduction），增加大腦指令傳送速度。當電流通過軸突到達遠端的突觸，信號就會傳給下一個神經元。由此可見，身體與腦部的溝通，全都與電相關。