你可能不用看就能用手完成許多驚人的任務。但是，如果你戴上手套，讓你的觸覺變得模糊，那么許多簡單的任務就會變得令人沮喪。如果失去了本體感受——即感知身體相對位置和運動的能力——你甚至可能會弄壞物品或傷害自己。

最近連續(xù)兩篇新論文記錄了神經(jīng)假肢技術的進步，該技術可讓人感受到仿生手“皮膚”上物體移動的形狀和運動。

芝加哥大學神經(jīng)科學家CharlesGreenspon博士表示，“大多數(shù)人沒有意識到他們經(jīng)常依賴觸覺而不是視覺比如打字、走路、端起一杯水。如果你沒有觸覺，做任何事情時都必須時刻注意自己的手，而且仍然有打翻、壓碎或掉落物品的風險。”

最近，Greenspon和他的研究合作者在《自然·生物醫(yī)學工程與科學》雜志上發(fā)表論文，記錄了旨在解決這一問題的重大技術進展：對大腦進行直接、精確的定時電刺激，從而為假肢手提供細微的“感覺”。

本文通過在患者腦內(nèi)植入微電極陣列同時使用NeuroPort系統(tǒng)（Blackrock Neurotech）在30 kHz下記錄來自M1陣列的神經(jīng)信號。并使用CereStim 96刺激器（Blackrock Neurotech）給予電極陣列脈沖刺激。


 

恢復感覺的科學
這些新的研究由芝加哥大學、匹茲堡大學、西北大學、凱斯西儲大學和貝萊德神經(jīng)科技公司的科學家和工程師多年合作，同心協(xié)力進行的。他們共同設計、建造、實施和完善腦機接口（BCIs）和機器人假肢，旨在恢復失去大部分肢體功能的人的運動控制和感覺。

在芝加哥大學方面，這項研究由神經(jīng)科學家Sliman Bensmaia博士領導，直到他在2023年意外去世。

研究人員的假肢感知方法包括在向大腦中負責手部運動和感覺的大腦區(qū)域放置微小的電極陣列。參與者可以通過簡單地思考動作來移動機械手臂，而在另一邊，機械手臂上的傳感器可以觸發(fā)大腦中負責觸摸的部分的稱為皮質(zhì)內(nèi)微刺激（ICMS）的電活動脈沖。

所有參與者的陣列植入位置和感知圖

 

Greenspon解釋說，在大約十年的時間里，這種對觸覺中心的刺激只能在手上的不同地方提供一種簡單的接觸感。

他說：“我們可以喚起你觸摸東西的感覺，但這主要是一個開/關的信號，而且信號通常很弱，很難分辨手部的接觸發(fā)生在何處。”

新發(fā)布的研究結果標志著突破這些限制的重要里程碑。

加深對人工觸覺的理解

在《自然·生物醫(yī)學工程》雜志上發(fā)表的第一項研究中，Greenspon和他的同事專注于確保電觸覺穩(wěn)定、定位準確且強度足以用于日常任務。

研究人員通過向參與者觸覺中樞的各個電極發(fā)送短脈沖，讓他們報告每個感覺的位置和強度，從而繪制出與手部特定部位相對應的大腦區(qū)域詳細“地圖”。測試顯示，當兩個距離很近的電極同時受到刺激時，參與者會感到更強烈、更清晰的觸覺，從而提高他們定位和測量手部正確部位壓力的能力。

PFs加起來產(chǎn)生焦點和定位良好的感覺

研究人員還進行了詳盡的測試，以確認同一電極始終能產(chǎn)生與特定位置相對應的感覺。

Greenspon表示：“如果我在第一天刺激電極，參與者感覺到的是拇指，那么我們可以在第100天、第1000天甚至很多年后測試同一電極，他們?nèi)匀粫�在大致相同的位置感覺到它。”

從實際的角度來看，任何臨床設備都需要足夠穩(wěn)定，以便患者能夠在日常生活中依賴它。電極如果不斷改變“接觸位置”或產(chǎn)生不一致的感覺，會讓人很沮喪，需要經(jīng)常重新校準。相比之下，這項研究揭示的長期一致性可以讓假肢使用者對他們的運動控制和觸覺產(chǎn)生信心，就像他們對自己的肢體一樣。

增加運動和形狀的感覺
《科學》雜志的補充論文更進一步，使人工觸覺更加身臨其境和直觀。該項目由第一作者賈科莫·瓦萊（Giacomo Valle）博士領導，他是芝加哥大學的前博士后研究員，現(xiàn)在瑞典查爾姆斯理工大學繼續(xù)他的仿生學研究。

“大腦中兩個相鄰的電極不會產(chǎn)生將手分成整齊小塊的感覺，且這些小塊與大腦中的電極一一對應；相反，感覺位置是重疊的，”Greenspon解釋說，他與Bensmaia共同擔任該論文的資深作者。

研究人員決定測試他們是否可以利用這種重疊的性質(zhì)來創(chuàng)造感覺，讓用戶感受到物體的邊界或物體在他們皮膚上滑動的運動。在確定了“觸摸區(qū)域”重疊的電極對或電極簇之后，科學家們以精心編排的模式激活它們，以產(chǎn)生在感覺地圖上不斷發(fā)展的感覺。

參與者描述說，盡管刺激是以小步幅遞進的，但他們還是感覺到手指上有一股輕柔的滑動觸感�？茖W家將這一結果歸因于大腦非凡的能力，即通過“填補”感知中的空白，將感官輸入整合在一起，并將其解釋為連貫的移動體驗。

順序激活電極的方法也顯著提高了參與者區(qū)分復雜觸覺形狀和對他們觸摸的物體變化做出反應的能力。他們有時可以在指尖上用電“描摹”出字母表中的字母，當方向盤從手中滑落時，他們可以使用仿生手臂來穩(wěn)定方向盤。

這些進步有助于仿生反饋更接近自然觸覺的精確、復雜和適應性，使人們能夠自信地處理日常物品并應對不斷變化的刺激。

神經(jīng)假肢的未來
研究人員希望，隨著電極設計和手術方法的持續(xù)改進，覆蓋整個手部的電極將變得更加精細，從而提供更逼真的反饋。

“我們希望將這兩項研究的結果整合到我們的機器人系統(tǒng)中，我們已經(jīng)證明，即使簡單的刺激策略也可以提高人們用大腦控制機械臂的能力，”論文合著者、匹茲堡大學物理醫(yī)學和康復學副教授、刺激研究負責人羅伯特·岡特博士（Robert Gaunt）說道。

Greenspon強調(diào)，這項工作背后的動機是提高肢體喪失或癱瘓患者的獨立性和生活質(zhì)量。

這種方法也為其他類型的感覺喪失患者帶來了希望。事實上，該小組還與芝加哥大學的外科醫(yī)生和產(chǎn)科醫(yī)生合作開展了“仿生乳房項目”，該項目旨在生產(chǎn)一種可植入的裝置，可以在乳房切除術后恢復觸覺。

盡管仍然存在許多挑戰(zhàn)，但最新的研究表明，恢復觸覺的道路正變得越來越清晰。隨著每項新發(fā)現(xiàn)的問世，研究人員離未來越來越近，屆時，假肢將不僅僅是一個功能性工具，而是一種體驗世界的方式。
 

參考文獻：
Charles M. Greenspon et al, Evoking stable and precise tactile sensationsviamulti-electrode intracortical microstimulation of the somatosensory cortex, Nature Biomedical Engineering (2024). DOI: 10.1038/s41551-024-01299-z

Giacomo Valle, Tactile edges and motionviapatternedmicrostimulation of the human somatosensory cortex, Science (2025). 

DOI:10.1126/science.adq5978.www.science.org/doi/10.1126/science.adq5978

文章來源于：腦機接口社區(qū)

僅用于學術分享，若侵權請留言，即時刪侵！