科學人 3月號/2021 第229期

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封面故事:手臂移植，神經如何搭上線

藉由研究接受手臂移植者的復健過程，有助於更進一步了解成人神經可塑性的極限。 

撰文／佛雷（Scott H. Frey）
翻譯／謝伯讓

1964年2月，美國梅約醫院的外科醫師伊利薩德（Roberto Gilbert Elizalde）在厄瓜多的瓜亞基爾找到一位理想的器官捐贈候選人，以進行一項實驗室中發展已久的先進手術。28歲的盧納（Julio Luna）是一名水手，在一次手榴彈爆炸事件中失去了右手。伊利薩德從美國一項由死者身上取得腎臟的移植手術獲得靈感，希望可以把捐贈者的右手移植給盧納。 
在漫長的九小時手術中，伊利薩德的團隊仔細把一位因胃潰瘍出血而過世的捐贈者手臂骨頭、肌腱、血管、肌肉和皮膚與盧納的手臂對接。透過新穎的顯微手術技術，他們縫合了細微的神經纖維束，希望藉此引導盧納受傷手臂新生的感覺和運動神經纖維，在接下來幾個月與新手掌連結起來。完成手術已精疲力竭，手術團隊焦慮地看著手術鉗移除，盧納蒼白的新手臂在血液流入後重獲生機。賀喜的長途電話絡繹不絕，《紐約時報》也報導了這則新聞：「死人手臂成功移植」。這是繼腎臟和眼角膜後，另一個進行移植的人體器官，是一項艱難的手術。根據《泰晤士報》的報導：「昨日多位專家都認為，此項手術最終失敗的機率很高。」 
手術後第一週，當盧納收縮前臂肌肉時，新手掌的肌腱可以彎曲手指，專家的看法似乎都錯了。醫生給予盧納免疫抑制劑硫唑嘌呤（azathioprine），讓他的身體不會排斥外來組織器官。但是到了第二週，醫生就發現免疫抑制劑並不足以維持一切正常。當壞疽現象發生時，盧納被送回了波士頓，拯救右手臂的努力依然失敗。移植手術23天後，盧納再度成了截肢者。醫學界對於伊利薩德的高風險手術有褒有貶。反對者認為手術程序不道德、危險且非必要，因為手臂移植並不是盧納延續生命的必要手術，這也是許多手臂移植專家至今仍然堅持的立場。關於這個問題，一直到30年後另一項手臂移植手術施行時，醫學界才有了再次審視的機會。 
30年來外科手術技術不斷進步，再加上環孢靈（cyclosporine）以及後來的雷帕黴素（rapamycin）和他克莫司（tacrolimus）等更有效的免疫抑制劑，有不少器官移植（例如腎臟、肝臟和心臟）已經幾乎成了常規手術。到了1990年代，這些強效藥物讓大家對內含多種組織（肌肉、皮膚、骨頭、神經和血管）的器官移植重新燃起希望，「複合組織異體移植」（composite tissue allotransplantation）這門領域也應運而生。1998年，法國一個醫學團隊進行了史上第二次手臂移植，隨後美國肯塔基州路易維爾猶太醫院的另一個團隊也完成同樣的手術，該名病人史考特（Matthew Scott）已迎來手臂成功移植22週年。 
不過，手臂移植目前仍在實驗階段，而且充滿爭議，手臂移植在全世界總共只施行過約100次。有別於其他器官移植的是，手臂移植並不是挽救性命的手術，接受手術的病人會經歷重大手術流程，接著是漫長的恢復期及大量復健。他們必須終生服用免疫抑制劑，可能因此對內臟造成負擔，同時罹患特定癌症、病菌感染和其他疾病的風險也會上升。接受手臂移植的塞維基（David Savage）在移植12年後因癌症逝世，可能和免疫抑制劑有關；稍後再來談談他的故事。 
那麼為什麼不用義肢就好呢？當我訪問接受手臂移植的洪都司基（Erik Hondusky）時，他的回答很簡單：「這是一個雙手世界。」洪都司基的話說明了其他手部移植者的感受，他們都對義肢心有不滿，同時也強烈希望能再次感受到身體的完整。義肢目前仍是一種不靈敏的工具，你無法使用義肢體會輕滑過蜘蛛絲時的感覺，無法觸摸到鍵盤上F和J按鍵的輕微凸起，也無法感受咖啡杯的細微溫度變化。遺憾的是，洪都司基最後因為葡萄球菌感染而在九年後再次截肢。他只有在騎腳車時才不甘願地裝上義肢。義肢本身還存在一些其他挑戰。儘管我們已經在科技上有重大突破，但有很高比例的截肢者都選擇不使用上肢義肢。 
路易維爾猶太醫院的長期合作夥伴、研究人員考夫曼（Christina Kaufman）發現，手臂移植的整體手術結果以及術後免疫排斥防治仍算相當不錯，約有80%的受贈者順利保有新手臂超過五年，隨著捐贈者和受贈者的免疫相容配對檢驗技術日益提升，移植年限應該還會越來越長，同時，受贈者也將越來越多。因此，移植手臂將不再只著重有沒有出現免疫排斥，受贈者是否能順利控制新手臂，將逐漸成為手臂移植是否成功的新定義。而這也是神經科學家有興趣的焦點。  

神秘的幻肢感
由於我的母親患有多發性硬化症（腦與脊髓神經元上的脂質髓鞘受到自身免疫系統攻擊），她的日常活動都非常辛苦，因此我很早就對大腦如何控制雙手非常好奇。我的母親無法控制雙手、身體無法保持平衡，肌肉衰弱且時常痙攣，至今我仍可清晰回憶這些事，並促使我不斷探究大腦如何控制雙手。我們的大腦運用了許多腦區計算並控制手部動作，我的實驗室已經探索此領域超過20年。我們透過非侵入性的功能性磁共振造影（fMRI）研究手部動作的神經機制，追蹤腦中局部區域神經活動相關的血流變化及含氧量。 
以下是fMRI實驗的實際流程：實驗受試者必須交替輕敲手指，並在短暫休息後不斷重複該動作。由於每側半腦負責處理對側感覺訊息並控制對側肢體動作，因此當受試者移動右手手指時，左腦運動皮質區中與手部動作有關的神經元群就會發出電生理脈衝（動作電位）。這些訊號會經由皮質下的白質傳至脊髓，然後透過周邊運動神經來收縮右手臂及手部相關肌肉。接下來，手指運動會刺激皮膚中特殊的感覺受器、肌腱以及關節，並把反饋訊號從周邊感覺神經回傳至脊髓，然後再透過上行電生理脈衝，經由皮質下的腦區傳至左腦感覺皮質中與手部有關的特定區域進行處理。 
上述這些神經活動都會消耗能量。在不到一秒鐘內，微血管會擴張，導致大量的含氧血（血紅素）流入活躍的腦區。這些和神經活動有關的局部血氧濃度變化，會干擾MRI機器中的磁場。當氧分子沒有和血紅素結合時，血紅素的磁化率較強（順磁態），而氧合血紅素的磁化率較弱（逆磁態）。這些效應會反映在和神經活動有關的相對血氧濃度訊號上。在輕敲手指的實驗中，訊號分析軟體會顯示受試者左腦的手部感覺和運動腦區活化。許多截肢者會經驗到強烈的「幻肢」，那是一種截肢後肢體仍然存在的感覺，在一些截肢病人身上，fMRI甚至也可偵測到其大腦活動。當實驗人員要求截肢者移動「幻肢」上的手指時，fMRI會偵測到該手指先前所對應的腦區活化。這些發現顯示，即使截肢者失去了斷肢，但至少某些截肢者的腦中仍然表現得有如斷肢依舊存在。不過，事情其實還更複雜…

別忘了，全球還在暖化

撰文／李家維

造訪烏茲別克的陶器作坊，尋得此華麗釉彩大盤。這種極具民族風情的青花藍彩源自800年前，以本地紅陶土為胎體，用鈷藍料為主色調，手工細細繪上融合了中國元朝與伊斯蘭的圖案。我們這個中亞文化與考古團的成員們，皆興奮參觀創作過程和上手出土古殘片。突然，同行友人臉色發白、腹瀉嘔吐，顯然得了腸胃炎。急回旅社求助，不多時兩位醫生來訪，親切問診並開處方箋，竟然不收診費，到藥房取藥又只需一美元。原以為這是對國際旅客的特殊服務，再問才知全民皆然！如此的健保福利，遠超乎我們對這人均所得不及台灣十分之一的窮國想像。
中國明朝時，烏茲別克是輝煌的帖木兒帝國中心。在此之前，亞歷山大和成吉思汗的鐵騎都曾經蹂躪此地。30年前，烏茲別克脫離蘇聯獨立建國，3000多萬人住在阿姆河和錫爾河的兩岸綠洲，絕大多數的國土是寸草不生的荒漠。我們沿著水土富饒的費爾干納盆地，穿過邊境來到塔吉克，瓜果鮮美啊！這個國家更窮，人均所得是烏茲別克的一半，開心的是，遇到的伊斯蘭回民同樣親切熱情。
我是懷著不安的心情來到中亞，因為知道這裡7000多萬人賴以維生的河流分別來自帕米爾高原和天山山脈的冰川，但是源頭危矣，隨著全球增溫，冰川已明顯退卻，融溶的雪水流不到下游的鹹海。中亞五國皆遠離大洋，缺水的困境已是必然。回程時飛越天山山脈，這時是夏末，冰川已不再雄偉，零星點綴在山頭和谷地。新疆缺水不是警訊，而是現在進行式，「引渤入疆」和「藏水入疆」都是認真討論的方案。途經南疆的和田，當然要去拜訪熱瓦克佛寺遺址。行經50公里遠的荒漠，才抵達這建於南北朝、可能曾是眾僧與信徒雲集的聖地，沿途可見耗資巨大的力阻沙漠化工程。
這是全球的環境挑戰，〈高山冰融，20億人水荒〉明示驚悚預言。當人類受困於新冠疫情時，也該了解更大的災難正沛然成形。

NO.229 2021年3月號

【關於封面】手臂移植長久以來是艱難的手術，免疫排斥之外，更必須仔細把手臂的神經纖維束加以配對。有些手臂移植者能正確感知並順利操控新手臂，而這與「神經再支配現象」有重要關聯。

特別報導
30 透視大腦神經圖譜
文／陳其暐
大腦運作何其複雜？若能描繪出大腦神經連結的圖譜，意識之謎、各種腦部病變都可能獲得解答。這個極富開創性的跨領域挑戰，需要環環相扣的研究策略。

神經科學
36 手臂移植，神經如何搭上線
文／佛雷（Scott H. Frey）
藉由研究接受手臂移植者的復建過程，有助於進一步了解成人神經可塑性的極限。

天文學
44 古星系團超速成長？
文／朗恩（Arianna S. Long）
宇宙早期的星系團體積龐大，生成恆星的速率難以想像，超出天文學家對宇宙演變過程的了解。

生物學
52 你體內的病毒組
文／普萊德（David Pride）
人體內其實有許多種病毒：有些和平共存，有些會致病。若能善加利用，也可能有益健康。

資訊科學
60 社群時代的資訊經濟學
文／門澤（Filippo Menczer）、希爾斯（Thomas Hills）
了解社群媒體、機器人程式等現代科技如何利用我們的心理弱點，我們才有能力維持資訊生態系的健全。

環境科學
68 高山冰融，20億人水荒
文／伊梅澤爾（Walter Immerzeel）
全球各地高山的雪、冰河是天然的水塔，供應高山至下游居民的用水。然而氣候變遷使雪和冰河快速消融，我們必須立即採取行動，為下一代保留水資源。

醫學
76 惡行惡狀的細胞騙子
文／阿克蒂皮斯（Athena Aktipis）
多細胞生物體內的成員合作共存，但出現騙子時就可能形成癌症。

行星科學
82 火星動態寫真
文／莫斯柯維茨（Clara Moskowitz）
火星勘查軌道號歷經15年觀測，不斷扭轉我們原本對這顆紅色行星的想像。

科學人觀點
6 馴悍記：在那遙遠又酷寒的西伯利亞 文／曾志朗

總編輯的話
8 別忘了，全球還在暖化 文／李家維

10 讀者論壇
   
12 科學人新聞
太陽能海水淡化
3D列印動脈瘤
老葉防蟲出新招
更多把DNA剪刀
主旨明確才有效
一覽世界科技發展
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熱電材料師法「蛇眼」
蜘蛛腳自主織網

形上集
22 數學家辛格去 文／高涌泉

教科書之外
24 遺傳分子的敵我辨識 文／陳文盛
 
網上世代
26 雲端原生的基石：微服務 文／葉平
 
談心說理
28 圓柱頭、錐形頭、格子頭 文／鄭谷苑
 
專家看新聞
92 反亞洲種族主義惡化 文／阮長（Michael Nguyen-Truong）
 
科學佐以詩文
94 愛的統一理論 文／威納特（Kit Wienert）
 
健康與科學
96 電子菸遇上新冠肺炎 文／華立斯（Claudia Wallis）
 
科學焦點
98 科學家太嚴苛嗎？ 文／歐瑞斯克斯（Naomi Oreskes）
 
預見新科學
100 標靶藥物，基礎研究多元應用 文／林慧珍

科學人書摘
102 天生愛模仿 文／摘自《大腦的鏡像學習法》
 
圖表會說話
106 恐龍分佈版圖擴大中 文、圖表／皮克（Katie Peek）

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