摘要：你可能无需看着双手就能完成无数任务。但如果你戴上一副削弱触觉的手套，许多简单的任务就会变得令人沮丧。如果剥夺你的本体感觉——即感知身体相对位置和运动的能力——你甚至可能会损坏物品或受伤。

图片来源：Charles Greenspon

你可能无需看着双手就能完成无数任务。但如果你戴上一副削弱触觉的手套，许多简单的任务就会变得令人沮丧。如果剥夺你的本体感觉——即感知身体相对位置和运动的能力——你甚至可能会损坏物品或受伤。

“大多数人没有意识到他们在多大程度上依赖触觉而不是视觉——打字、走路、拿起一杯水。”芝加哥大学的神经科学家查尔斯·格林斯彭（Charles Greenspon）博士说，“如果没有触觉，你在做任何事情时都必须不断注视着自己的手，并且仍然冒着溢出、压碎或掉落物品的风险。”

格林斯彭和他的研究团队最近在《自然·生物医学工程》和《科学》杂志上发表了论文，记录了他们针对这一问题的重大进展：通过精确控制的电刺激大脑，可以重现触觉反馈，为假肢手提供细致的“感觉”。

研究介绍

这些新研究建立在芝加哥大学、匹兹堡大学、西北大学、凯斯西储大学和Blackrock Neurotech多年合作的基础上。他们的目标是设计、构建、实施和完善脑机接口（BCI）和机器人假肢手臂，旨在恢复失去显著肢体功能的人们的运动控制和感觉。

在芝加哥大学方面，这项研究由神经科学家斯利曼·本斯马（Sliman Bensmaia）博士领导，直到他于2023年意外去世。

研究人员的方法涉及将微小的电极阵列放置在负责移动和感受手部的大脑区域。一方面，参与者只需思考移动，就可以控制机械臂；另一方面，机械臂上的传感器可以在大脑中触发称为皮层内微刺激（ICMS）的电信号，模拟触觉。

大约十年来，这种对触觉中心的刺激只能提供简单的感觉接触，无法区分具体部位。“我们能够唤起你正在触摸某物的感觉，但这主要是开关信号，通常非常弱，难以分辨接触发生在手的哪个部位。”格林斯彭解释道。

研究方法

在第一项发表于《自然·生物医学工程》的研究中，格林斯彭及其同事专注于确保电引发的触觉感受稳定、准确定位并且足够强，以用于日常任务。

通过向参与者触觉中心的各个电极传递短脉冲，并让他们报告感觉到每个触觉的位置和强度，研究人员创建了与手特定部分对应的详细“地图”。

测试显示，当两个紧密排列的电极同时被激活时，参与者会感受到更强烈、更清晰的触觉，这可以提高他们定位和测量手上正确部位压力的能力。

研究人员还进行了详尽测试，确认同一电极始终会在相同位置产生相同的触觉。“如果我在第一天刺激一个电极，参与者感到它在拇指上，我们可以测试这个电极在第100天、第1,000天，甚至多年后，他们仍会在大致相同的地方感觉到。”格林斯彭说。

从实际角度来看，任何临床设备都需要足够稳定，以便患者在日常生活中依赖它。如果一个电极不断改变其“触觉位置”或产生不一致的触觉，将会令人沮丧并需要频繁校准。

相比之下，这项研究所揭示的长期一致性可以使假肢使用者对其运动控制和触觉充满信心，就像使用天然肢体一样。

在《科学》杂志上发表的互补研究进一步使人工触觉更加沉浸式和直观。该项目由乌普萨拉大学现任博士后研究员贾科莫·瓦莱（Giacomo Valle）领导。

“大脑中相邻的两个电极不会产生整齐地‘铺满’手部的一对一对应触觉区；相反，感官位置会有重叠。”格林斯彭解释道。

研究人员决定测试是否可以利用这种重叠特性来创造让用户感知物体边界或滑动物体运动的触觉。通过识别“触觉区”重叠的电极对或集群，并以精心编排的模式激活它们，生成跨越感官图谱的感受。

参与者描述了一种轻柔滑动的感觉，尽管刺激是以小而离散的步骤传递的。科学家们认为这是大脑将感官输入缝合在一起并将其解释为连贯、移动体验的结果。

依次激活电极的方法也显著提高了参与者区分复杂触觉形状并对所触摸物体的变化做出反应的能力。有时，他们可以通过指尖上“描绘”的字母识别出来，还可以使用仿生手臂稳住开始滑动手中的方向盘。

这些进步使仿生反馈更加接近自然触觉的精确、复杂和适应性，为假肢提供了自信处理日常物品和应对变化刺激的可能性。

研究未来

研究人员希望随着电极设计和手术方法的不断改进，手部的覆盖范围将变得更加精细，从而实现更逼真的反馈。

“我们希望将这两项研究的结果整合到我们的机器人系统中，在那里我们已经展示了即使是简单的刺激策略也可以改善人们用大脑控制机械臂的能力。”匹兹堡大学物理医学与康复副教授罗伯特·冈特（Robert Gaunt）博士说。

格林斯彭强调，这项工作的动机是为了增强肢体丧失或瘫痪患者的生活独立性和质量。

“我们都关心那些因受伤失去肢体使用能力的人——这项研究是为了他们。”他说，“这是我们如何恢复人们的触觉。这是恢复神经技术的前沿，我们正努力将这种方法扩展到大脑的其他区域。”

这种方法也为其他类型的感官丧失者带来了希望。事实上，该团队还与芝加哥大学的外科医生和妇产科医生合作开展了“仿生乳房项目”，旨在生产一种可植入装置，以恢复乳房切除术后的触觉。

尽管仍有许多挑战，但这些最新的研究提供了证据，表明恢复触觉的道路正在变得更加清晰。每一组新的发现都使研究人员更接近这样一个未来：假肢不仅是功能工具，更是体验世界的一种方式。

论文参考：DOI:
10.1038/s41551-024-01299-z

来源：启真脑机智能基地