生活應用

利用行為的生理基礎將學術應用於生活中，以下五項是近代致力的研究方向：神經義肢、電子眼、毒品成癮、腦傷病患、基因或環境影響心理與行為。

一、神經義肢

1.概述

傳統義肢的功能只有支撐，並且無法由大腦隨意控制、移動。因此研究者與工程師們就從這方向著手，希望突破限制、研發出能夠用大腦控制的「神經義肢」（Neuroprosthetics）。神經義肢就是以人體的神經組織作為控制訊號的義肢，這些神經迴路與掌管運動的大腦區域相連接，經過一段時間的訓練後，就可以讓人能夠隨心所欲的以義肢來完成一般正常的肢體動作。簡單來說，就是用「想」來移動義肢，甚至可以像普通人般活動。

2.早期發展

早在2011年，依照上述的思考脈絡，便有科學家發想出讓人體穿著一套人工外骨骼，而能達成以腦機界面控制動作的效果，希望能讓此套外骨骼能依照操作者的意思動作。

• 「再次行走計畫」(Walking Again Project)

  在美國杜克大學的實驗室證實連接活腦組織和人造工具的可行性後，國際研究聯盟便開始進行「再次行走計畫」（Walking Again Project），目標是研發並植入第一個腦機界面，讓因脊椎創傷或退化性神經疾病而癱瘓的人恢復全身運動的能力。為了達成這個目標，實驗室初步設計出了早期的神經義肢，讓人們可以用想的來移動義肢，甚至拿取眼前的物品。癱瘓的病人可以透過腦機界面來控制全身式的機械外骨骼，這種可穿戴的機器人裝可支撐病患的身體，並讓他們用意志來控制上下義肢。這項神經工程學的重要發展，所依據的是神經生理學的原理，並在往後陸續透過恆河猴和其他動物的腦機界面實驗不斷革新改進。

• 實驗進展

  從後續的動物實驗中，一隻名為奧羅拉的恆河猴成功學習透過腦機介面來準確的移動電腦游標，奧羅拉在練習後更加嫻熟，其熟練程度和真正透過搖桿操作幾乎相差無幾。計畫中後續在帕金森氏症末期患者的試驗，也同樣獲得了成功的結果。之後，杜克大學實驗室的猴子甚至學會將腦信號透過電腦網路，直接遠端控制位於日本的機械腿。從動物實驗進展到人類實作，其研究進展皆是令人滿意的結果，並且對未來發展增添了更多的技術基礎與信心。在動物實驗，進而到人類實作，其研究進展皆是能令人滿意的結果，更是對未來的發展，增添了愈來愈多的技術基礎與信心。

3.近期研究方向

科學家們更進一步想要進行神經義肢的「反向實驗」，即模仿感覺神經元的原理，讓神經訊號能透過義肢再傳回腦中，使義肢除了可以動還能夠真正讓人「感覺」。

• 感覺的重要性

  人類的活動如穿針引線、拿取物品，除了需要由運動神經產生肌肉運動，還必須利用感覺神經將感覺刺激傳回大腦，才能隨時精密微調肌肉的運動。因此，讓義肢具備如同感覺神經的雙向溝通、模擬正常人的肌肉活動，是神經義肢的近期研究方向。

• 實務上之研究方向

  為了仿製出真的感覺神經元而感受到外在的溫度與物體的質地，目前的研究有3種取向：

  1.藉由斷肢所留下的神經元連結到腦部神經中樞

  2.改變神經迴路連結到其他部位的皮膚

  3.直接連結到中樞神經的感覺神經元受體

第一種方法，與斷肢所留下的神經元連結是個很直接的作法，目前美國猶他大學（University of Utah in Salt Lake City）與凱斯西儲大學（Case Western Reserve University）的兩組研究團隊都有在各自領域上得到斬獲(中間刪除)，他們讓義肢產生細微的電流去刺激斷肢部分的神經元，接受測試的人們表示真的有接收到有如真實般的感覺。然而，使用外在電流直接刺激的方式可能造成神經元不可預期的損傷。第二種方法，芝加哥復健機構仿生醫療中心（Center for Bionic Medicine at the Rehabilitation Institute of Chicago in Illinois）一開始只是希望藉由患者保有的胸部運動神經元來操縱義肢，卻意外地發現這些胸部的神經元能夠提供如同手的觸覺。此發現提供研究者另一個思考方向——透過神經迴路的重整，由其他部位的皮膚來取代斷肢的感覺功能、探索外在世界。然而，在實作上此方法確有困難之處，每個人在經過神經移植後，產生的反應各不相同，似乎無法找到一個通則。而且此項方法因為使用的是其他部位的神經作為媒介，故只能適用在因為外傷而失去部分肢體的殘障人士。若是因為中風或中樞神經受損導致神經失去功能的患者則無法達到效果。

第三種方法，稱為「目標肌肉神經重置」(Targeted Muscle Re-innveration，TMR)近期有了突破性的進展，它是一種連結神經和肌肉的「介面」技術，其原理是在手術接入義肢時，讓截肢的人們能通過僅存的神經和肌肉來控制義肢，同時回饋真實的「感覺」，而這項技術在損害評估上對於人體的侵害是極小。展望未來，或許幾年內就能夠普及在各種修復手術上，並能透過手術裝置在真實的肌肉神經與義肢間，扮演義肢與大腦溝通的「傳聲筒」角色。

4.結論

在能夠透過意識活動的神經義肢已有前瞻性發展的時代，下一步是找回肢體的感覺。上述的研究成果展現了從機器中體驗到真實感覺的可行性，接下來的重點是如何提升感覺的精確度，並將對人體的侵害減到最低，甚至這些介面器材的耐久程度等等都須納入考量。隨著技術不斷的革新，在未來二十年內或許我們就能夠從義肢感覺到彷若真實的知覺，對於相關的患者將是一項值得期待的福音。

二、電子眼

1.概述

電子眼是一門目前相當新，而且熱門的眼科領域，透過外界影像的光訊息，藉由攝影機、影像處理、光電訊號轉換後，變成視網膜上的電訊號，來讓失明者感知光變化。然而目前電子眼的服務對象僅為「後天失明者」，人工電子眼現階段還不能夠幫助先天性失明或童年時因視力受損而失明的人，因為這些者負責視力的大腦皮層發育不夠，無法藉由電子眼觀察到影像。

2.原理

電子眼的原理步驟：

1.運用光電轉換器將從外界所吸收的光訊息轉變成電訊息

2.這些電訊息會傳遞到植入於病人眼球底部的視網膜晶片上

3.視網膜晶片上裝置的電極陣列接收電訊息後會釋放出電流，對視網膜神經細胞進行刺激

4.神經細胞受到誘導後產生反應、發出視覺訊號傳送到神經元，使患者恢復對光、圖片和運動中的物體的視感覺

5.最後由視神經繼續傳送到大腦產生影像

上述的動作分別會作用在視網膜晶片的光敏區(吸收光)、光電二極體(轉換光為電流)、以及金屬電極區(轉換訊號給皮質)。
目前根據電子眼安裝位置有兩個模式分別為視網膜電子眼、視皮層電子眼。

3.電子眼的模式

• 視網膜電子眼

  • John Hopkins-NCSU 模式：

    John-Hopkins-NCSU電子眼是很典型的電子眼，如前面所敘述的，利用攝影機、影像處理、光電訊號轉換技術，將外界的光訊息轉變為電訊息，再透過無線電的形式傳送到眼睛內的編譯器，編譯器編譯過後會送出適當的電流，刺激殘餘的視網膜神經細胞來引發視覺。
    

    (圖五)

• MIT-Harvard 模式：

  MIT-Harvard模式的電子眼是使用電腦晶片技術所設計的電子介面。MIT-Harvard的電子眼內包含了固定方向的雷射微小電源和可調整雷射光束輸出振幅的微型攝影機，電源及攝影機都鑲嵌在太陽眼鏡上。MIT-Harvard的電子眼值入器具有電極板，電極板是由一個光極板與一個產生刺激訊號的微矽晶片，和兩者中間夾著的一層薄且具有彈性的鞍帶狀物所構成，而鞍帶狀物的另一端有刺激視網膜之電極。當雷射光束照射到光極板時，不但會產生電源，同時也會啟動、刺激晶片，並指引帶狀物上的電極產生電流。因為此植入器貼合於視網膜前面，所以可刺激神經節細胞，使其產生視覺訊號並傳送到視神經和視皮層。
  

  (圖六)

• 視皮層電子眼

  • Dobelle模式：

    Dobelle模式是讓病患戴著一副安裝了一台微型攝影機和微型電腦的裝置，裝置有類似太陽眼鏡的外觀，另外還有安放刺激物的特殊皮袋，佩戴於腰帶上。整套裝置固定在一個微小植入器上，植入器可使兩個電極與負責視力的大腦皮層相連，埋值於顱骨中的。
    

    (圖七)

4.實際應用

交大電機資訊學院的團隊所研發的第三代人工矽視網膜晶片與中國醫大附設醫院合作，組成人工視網膜植入手術臨床試驗小組，針對色素性視網膜炎、老年性黃斑部病變，以及視網膜剝離等後天因素造成視障的病患，進行植入手術臨床試驗。至2013年為止共10例亞洲病患視網膜植入手術。
隨著電子眼技術的成熟，相信會有愈來愈多的喪失視覺患者能感受到世界的光明。

三、毒品成癮

1.簡介

毒品誘人之處，特別是海洛因、古柯鹼這類具有高度成癮性的物質，在於它能引發大腦產生強烈的愉悅感。近年來，科學家透過腦部影像學的研究發現，吸毒的時候，腦部的報酬迴路(Limbic system)會被活化，使神經末梢釋放神經傳導物質多巴胺（dopamine），刺激下游區域的神經細胞，讓腦部產生愉悅感。久而久之，形成上癮。實際上報酬迴路不僅在毒品成癮中扮演關鍵的角色，在物質成癮（咖啡、香菸成癮）與行為成癮（病態性賭博、性成癮）上，大腦的報酬回路都有類似的表現。

2.報酬迴路(Limbic System)

報酬迴路是比較通俗一點的說法，醫學上的專業術語稱之為邊緣系統(limbic system)。以下是一個功能性的系統分類，在實際的大腦解剖中與週遭的腦組織並無明顯的分界點。

• 視丘(thalamus)：也稱為丘腦，除了嗅覺之外，所有的感覺器官訊息都必須經由它的溝通，才能進入大腦其他相關區域的皮質層，所以號稱「通往大腦之門」。
• 下視丘(hypothalamus)：位於視丘下方，它與腦下垂體負責調節人體荷爾蒙分泌。大至器官運作調節，小至睡眠與甦醒的週期都由其掌控。日夜顛倒者易使其退化，導致健康受損。
• 杏仁體(Amygdala)：如果視丘是大腦之門，下視丘是人體調節中心，那麼杏仁體就是掌控生死存亡的安全崗哨。當外在感官將訊息傳入視丘後，視丘除了把相關訊息傳給大腦皮質層外，也會通報給掌管安全的杏仁體。如果杏仁體覺得事關重大，它就會立刻讓下視丘輸送荷爾蒙到相關的身體部位，做出準備動作。另外杏仁體也會查詢「海馬迴」內儲存的情感、無意識記憶，做出緊急應變措施，也就是我們所說的「本能反應」，例如：拔腿就跑、狗急跳牆。而男生的杏仁體約為女生的兩倍大，所以男生較易衝動，依靠本能反應做事。
• 海馬迴(Hippocampus)：主宰記憶的構造。它儲藏所有日常生活中的學習成果，然後藉由睡眠時，慢慢的輸送至各個大腦分區，以便日後自由提取這些記憶。也就是當學習成果儲存在長期記憶中，它才能變成我們可以運用的知識。
• 胼胝體(Corpus callosum)：它負責連結左右腦，密切溝通、交換、傳遞訊息。它必須要等到進入青少年時期才會完全成熟，產生靈活、準確的運作。

整個邊緣系統負責的功能有: 1.影響或產生情緒 2.參與學習和記憶活動 3.引起睡眠活動，其中跟前文所提到的報酬迴路有關的是第一項影響或產生情緒，以及第二項學習和記憶這兩方面。

3.實際作用機轉與成癮的關係

以下以海洛因做為說明範本。吸食海洛因後，在Limbic System中的神經細胞會被大量海洛因的活性成分嗎啡分子（morphine）占據，因此細胞會判定受器數量過多，一部分受器將會被回收至細胞內部，導致外顯的受器數量下修（down regulation）。如圖:

受器和嗎啡分子結合後，將抑制細胞內的二級傳訊分子，例如Adenylyl Cyclase、cAMP、CREB等，進一步使人產生欣愉感(詳細的作用機轉太過複雜，在這邊不贅述)。在長期頻繁使用海洛因後，將導致這些分子數量上修（up regulation），這種情況稱之為耐受性。

耐受性一旦成立，如果吸毒者無法增加用量，應付新的恆定狀態，修正後的受器、細胞內的傳訊分子數量將失去制衡。舉個例子來說，就好像在一間監獄中，原先每個獄卒都打了美國隊長的藥劑，威猛無比。所以監獄可以收更多犯人，用少量的獄卒還可以有效管理。一旦藥物來源出了問題，獄卒沒有神力加持的情況下，犯人一定會暴動的。上述的犯人暴動，就是指毒品的戒斷症狀。

戒斷過程十分難受也十分危險，以海洛因來說，常見的症狀有心情惡劣、噁心嘔吐、流目油、打呵欠、筋骨痠痛、腸胃不適、全身起雞皮疙瘩、發燒、嚴重失眠等等。吸毒者為了緩解這些戒斷症狀，最快也最有效的方式就是再度注射或吸食毒品(根據之前吸食毒品所獲得的記憶)，讓獄卒(受器)再度變身美國隊長去壓制腦內暴動的犯人(二級傳訊分子)。於是吸毒者不論是為了獲得欣快感，或者為了減少戒斷帶來的不適，只能使用更高的劑量、更加頻繁的用毒。

4.現代對上癮的新觀點

過去一百年裡，英美帶頭懲罰、取締吸毒者，給予他們嚴重的刑罰，認為可以刺激他們戒除毒品。可是隨著時間過去，效果並沒有很大。

20世紀初的老鼠實驗中，心理學家布魯斯亞歷山大(Bruce K. Alexander)認為這些過往的實驗設計上有問題，因此他曾做過一系列「老鼠樂園」實驗，讓老鼠處在能夠快樂玩耍、吃喝、並跟其他老鼠交配的地方，在這樣的情況下，老鼠不會去喝摻了毒的水，也不會上癮。幾乎在同一時間，越戰回來的美軍在戰爭期間，有數千的士兵使用大量的海洛因(止痛)，但歸國後卻高達9成左右士兵戒除毒品。這麼看來或許毒品上癮與其說是個人問題，不如說是社會失能。
當社會中人與人的連結夠多的話，轉而仰賴毒品的需求也會減少。所以真正造成成癮的是個人無法正常與社會產生連結，如果我們繼續重罰這些吸毒者，使他們與社會連結隔絕，那麼成癮的問題便永遠無法解決。

葡萄牙在過去15年來執行毒品除罪化，把用來隔絕吸毒者的資金，轉來讓他們融入社會，結果成效卓著。注射性藥物使用量下降50%，吸毒過量跟因為吸毒感染愛滋的的機率也大幅下降。就像Johann Hari在Ted Global London說過: 「成癮的反面不是戒除，而是連結。」

四、腦傷病患

1. 概述

在核心觀念的腦之結構與功能中，我們可以理解到人類很多行為都和腦部有許多關聯。因此在這個部分中，我們將從腦傷這個主題切入，探討腦傷將會對我們的生活帶來什麼影響。

2.何謂「腦傷」

因為後天的外部撞擊、遺傳性損傷、先天性損傷、老化或是出生創傷，大腦造成腦結構上的傷害（包含腦神經或是腦組織），而此傷害將造成大腦的單一或多區域的神經活動，並且對人類平常行為造成影響。簡而言之，即是頭部受傷造成行為的影響。

先天性腦損傷則是因為遺傳以及產傷所造成。後天性腦傷可以分成兩種—創傷性腦損傷（TBI）、獲得性腦損傷（ABI），前者由大都外力造成，後者則是因為中風以及缺氧造成之傷害。腦損傷可能造成之影響，大致可以分成四種：認知、知覺的、物理、行為／情緒，且這些影響大多是不可逆的，以下將特別介紹中風及腦傷治療方法。

3.中風

英文叫做stroke，是一種因腦部血流受阻，而造成無法供應腦部氧氣，若不能即時醫治，而對腦部造成之損傷。一般，可分為因出血而造成的出血性及因血管阻塞而造成的缺血性腦中風，另外，如果中風的現象在24小時內消失者，我們有時會稱為「暫時性腦缺血」。中風可能會造成永久性的傷害，但越即時之治療可以降低傷害。

中風的危險因子有家族史、年齡、男生較女性容易得、高血壓、糖尿病膽固醇過高、肥胖、抽菸、喝酒、缺乏運動以及心房顫動。可以透過減少危險因子以及藥物的幫忙來預防，治療與復健則有專業的「中風復健」方法，例如，缺血性中風可以利用藥理溶栓或機械取栓的方式來恢復血流。

4.其他腦傷案例

除了中風以外，其實還有許多其他腦損傷的例子。而且從這些例子中，我們可以發現雖然腦傷造成人們喪失某些能力，但卻也有可能開啟什麼神秘的能力。

一名10歲的少年西瑞爾（Orlando Serrell），有一天被棒球擊中，之後腦部受傷並昏迷，當他恢復後，竟然開始可以說出受傷後的每一天是星期幾和當天的天氣，並能夠記得每一天大部份的生活細節。

另一個患者帕杰德（Jason Padgett），是2002年一樁搶案中的受害者，受到嚴重的腦震盪，復原不久後，他開始看見一些他所謂的「影像」，並能畫出這些影像，當帕杰德把這些畫作給別人看時，他才知道這些不斷重複的相似幾何圖案，是所謂的「碎形」（fractal，一種數學定義圖案，在醫學、地震學等許多方面有其應用）。

一個傑出的雕刻家克雷蒙（Alonzo Clemons），他在嬰兒時期似乎學習能力極佳，但大約三歲時，因為意外摔落，腦部受到嚴重的創傷，認知發展急遽減緩並造成嚴重的智能損害，包括詞彙和語言方面的障礙，但是同時，他也開始發展出特殊的雕塑能力，他可以用手邊任何的材料來雕塑，甚至隨著他對動物形體的興趣越來越高，他可以在看了一眼雜誌上的馬兒照片後，半小時內就雕塑出栩栩如生、包含肌肉和肌腱等細節的立體馬兒。（Darold A. Treffert，2015）。

五、基因或環境影響心理與行為

1.概述

從核心觀念中，我們知道除了先基因以外，後天的環境也會影響人類的行為，例如，擁有身高高基因的人，如果生活在食物缺乏的環境下，可能也沒辦法長到很高。因此，在這個部分，我們將透過雙生子研究來了解基因或環境如何影響人類行為。

2.雙生子研究

雙生子在研究不同家庭環境與不同基因組成對性狀造成的影響上是非常有利的工具，可用於瞭解性狀受到遺傳或環境影響的強度。近代雙生子研究顯示遺傳差異幾乎對所有性狀都具有一定程度的影響，有些特徵受到遺傳比較強的影響（例如：身高），有些受到遺傳中等程度的影響（例如：性格特質），有些則有較複雜的遺傳關係，如自閉症患者其不同的基因會影響性狀的不同部分。例如，如果某一特性(trait)受基因影響多於環境影響，單卵雙胞應比雙卵雙胞胎表現出較多此特性。當單卵雙胞胎基於同樣的「基因型」(genotype，即基因組合) 顯出不同的「表型」(phenotype，即基因組合可供觀察到的基因表達)的時候，這表示他們的「非共享環境」對這特性有影響。雖然單卵雙胞胎的基因組合一樣，不同的經歷和家教也可持續地塑造他們的性格、行為與精神疾患。（思覺失調研究室，hku）

• 甲基化機制的觀察

  生物基因學家在研究人體的甲基化機制時，對於基因序列完全相同的同卵雙胞胎同時進行觀察，正因為他們擁有完全相同的先天條件，因此若造成身體機制表現上的差異，所造成的原因必定是後天環境與其造成的習慣差異所導致。這項發現修正傳統的「基因決定論」，證明後天努力也能改變基因，再經由遺傳給予下一代。

  研究團隊發現，同卵雙胞胎的DNA序列並無不同之處，但由於吃飯習慣、壓力與激素分泌的因素，在成長過程中會開始產生差異，因此展開了調查，對全球一百一十四對的同卵雙胞胎與八十對異卵雙胞胎進行分析，觀察他們的白血球、直腸與口腔細胞的基因體甲基化分布。最後報告指出，同卵雙胞胎的基因體甲基化相似度高於異卵雙胞胎，此即代表ＤＮＡ的甲基化差異具有遺傳潛力，也印證基因之外因素，包括生活行為與習慣對人的重要影響。(林嘉琪，98)

  基因體和基因體上的甲基化都會經由遺傳決定人的外型，ＤＮＡ不能改變，甲基化卻可逆，這意味經由外在因素的改變，可以修正壞基因；反之，抽菸、酗酒與生活不正常造成的健康惡果，不但危害自己也禍延後代，世代遺傳的結果，還可能出現一整個疾病家族。(李宗祐，98)

• 影響基因表達的其他因素

  科學家們發現，每個人的情緒、思想和對事情的心態，這些都會直接或間接的影響到基因的表達。比如免疫系統的失衡就是影響的一個例子，在正常情況下，健康的免疫系統會在遇到感染或需要修復傷口時會展開動作，但那些扛著精神壓力或是負面情緒的人，其免疫系統也可能會產生錯亂，甚至使人罹患癌症或者產生高燒反應，進而影響基因的表達機制。

  一般認為，環境充其量只能增強或削弱比例甚少的一些基因活性，但科學家推測，一個人的社交環境或許亦能對基因造成強大的影響。簡單地說，我們常和怎樣的人相處、接收到怎樣的處事風格，這些都將顯著地影響我們的基因表達，而改變我們的人格。也就是說，決定我們是誰的並不是基因，而是基因表達，而這基因表達的不同又有賴於生活經歷以及環境影響。

• 其他研究結果

  根據Case Reserve University 的BahmanGuyuron的七十九對雙胞胎研究中，我們可以發現香菸對於人類面相具有極大的破壞性；根據昆士蘭大學的雙生子研究，我們可以知道尋找伴侶標轉和基因是沒有關係的，而且甚至和自己母親之間也沒有必然相似性。；根據愛丁堡大學的雙生子研究，我們可以知道兩件事，第一，童年時期流利地閱讀能讓人變得聰明，第二，社交能力是可以遺傳的。另外，根據美國俄亥俄大學的研究，我們可以知道人們對數學的焦慮症，有百分之四十的症狀決定於遺傳基因，另外百分之六十則與環境有關，例如：學校或是朋友。

3.研究回顧

雙胞胎研究者Richard Rose表示：「如果你邀請同一天在同一個國家誕生的陌生人齊聚一堂，請他們找一找彼此的相同之處，可能會發現許多令人驚奇的巧合。」（Horgan，1993）不過在Bouchard的研究中，他得到「一起養育的雙胞胎比分開養育的雙胞胎有更多相似處」的事實，進一步證明環境的影響。評論者對研究指出幾項批評，Bouchard研究中的雙胞胎面對著誘因誇大他們的相似之處，是為了讓研究團隊得到其想要的結果並吸引大批媒體的關注。一部份科學家也會朝自己研究的希望結果前進，例如會問到相似處為止而忽略了差異性，這也會影響到結論。最後一個則為由於雙胞胎外型相似，其他人對待他們的模式也會相近，這點指出相似點可歸因於基因與環境。　　至今還無法用科學的方式去證明雙胞胎的相似處確切歸因於何，但各項研究仍然再次確認了一個觀點，也就是讓我們了解到人的行為是遺傳基因與環境交互影響的。