有史以來(lái)第一次，脊髓損傷患者的復(fù)雜觸覺(jué)離現(xiàn)實(shí)又近了一步。一項(xiàng)新的研究發(fā)表在Science，這為通過(guò)大腦刺激實(shí)現(xiàn)復(fù)雜觸覺(jué)鋪平了道路，同時(shí)使用連接在椅子或輪椅上的體外仿生肢體。

這些研究人員都是美國(guó)皮質(zhì)仿生學(xué)研究小組的成員，他們發(fā)現(xiàn)了一種獨(dú)特的方法，可以通過(guò)在大腦中植入電極的特定微刺激模式來(lái)編碼手部的自然觸覺(jué)。這使得脊髓損傷的人不僅可以用大腦控制仿生手臂，還可以感覺(jué)到觸覺(jué)的邊緣、形狀、曲率和運(yùn)動(dòng)，這在以前是不可能的。

“在這項(xiàng)工作中，這項(xiàng)研究首次超越了之前在腦機(jī)接口（BCI）領(lǐng)域所做的任何研究——我們向參與者傳達(dá)了與方向、曲率、運(yùn)動(dòng)和3D形狀相關(guān)的觸覺(jué)，參與者使用的是大腦控制的仿生肢體。”我們現(xiàn)在處于人工觸摸的另一個(gè)階段。我們認(rèn)為，這種豐富性對(duì)于達(dá)到靈巧程度、操縱性和人類(lèi)手部典型的高維度觸覺(jué)體驗(yàn)至關(guān)重要，”該研究的主要作者、瑞典查爾姆斯理工大學(xué)的助理教授賈科莫·瓦萊說(shuō)。

一個(gè)脊髓損傷的癱瘓患者，在大腦中植入了皮質(zhì)內(nèi)電極。這種腦機(jī)接口（BCI）允許個(gè)人控制一個(gè)不與身體相連的仿生肢體，直接用思想來(lái)達(dá)到并抓住一個(gè)咖啡杯。由于植入了傳感器，仿生手可以像人的手一樣感知被抓住的物體，并通過(guò)高級(jí)神經(jīng)刺激將觸摸感覺(jué)傳遞給使用者的大腦。

觸覺(jué)的重要性

觸覺(jué)為我們的日常生活帶來(lái)豐富和獨(dú)立。對(duì)于患有脊髓損傷的人來(lái)說(shuō)，從手到大腦的電信號(hào)本應(yīng)讓人感受到觸覺(jué)，但卻被損傷阻斷了，觸覺(jué)也就喪失了。一種由用戶(hù)大腦信號(hào)控制的仿生肢體可以讓癱瘓的人恢復(fù)一些功能和獨(dú)立性，但如果沒(méi)有觸覺(jué)，就很難舉起、握住和操縱物體。此前，仿生手不會(huì)被用戶(hù)視為身體的一部分，因?yàn)樗粫?huì)像生物手那樣提供任何感官反饋。這項(xiàng)研究旨在提高體外仿生肢體的可用性，它將被安裝在輪椅上或類(lèi)似的設(shè)備上，靠近用戶(hù)。

用大腦控制仿生肢體的植入式技術(shù)

在這項(xiàng)研究中，兩名BCI參與者在大腦的感覺(jué)和運(yùn)動(dòng)區(qū)域（代表手臂和手）安裝了慢性腦植入物。在幾年的時(shí)間里，研究人員能夠記錄和解碼大腦中發(fā)生的與手臂和手的運(yùn)動(dòng)意圖相關(guān)的所有不同的電活動(dòng)模式。這是可能的，因?yàn)殡娀顒?dòng)仍然存在于大腦中，但癱瘓阻止了它到達(dá)手。用這種技術(shù)解碼和破譯大腦信號(hào)是獨(dú)一無(wú)二的，它允許參與者用大腦直接控制仿生手臂和手，與環(huán)境互動(dòng)。

將復(fù)雜的觸覺(jué)輸入大腦

參與者能夠完成一系列復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)，這些實(shí)驗(yàn)需要豐富的觸覺(jué)。為了做到這一點(diǎn)，研究人員通過(guò)植入物將特定的刺激直接輸入用戶(hù)的大腦。

“我們找到了一種方法，通過(guò)使用大腦中的微小電極進(jìn)行微刺激來(lái)輸入這些‘觸覺(jué)信息’，我們找到了一種獨(dú)特的方式來(lái)編碼復(fù)雜的感覺(jué)。這使得使用仿生手時(shí)可以獲得更生動(dòng)的感官反饋和體驗(yàn)，”Valle說(shuō)。

參與者可以感覺(jué)到物體的邊緣，以及指尖的運(yùn)動(dòng)方向。

通過(guò)利用腦機(jī)接口，研究人員可以從參與者的大腦中解碼運(yùn)動(dòng)意圖，從而控制仿生手臂。由于仿生手臂上有傳感器，當(dāng)一個(gè)物體接觸到這些傳感器時(shí)，刺激就會(huì)被發(fā)送到大腦，參與者就會(huì)感覺(jué)到這種感覺(jué)，就像它在他們手中一樣。這意味著參與者可以用仿生手臂以比以前更高的精度完成復(fù)雜的任務(wù)，比如拿起一個(gè)物體并將其從一個(gè)位置移動(dòng)到另一個(gè)位置。

神經(jīng)義肢復(fù)雜觸覺(jué)的未來(lái)

這項(xiàng)研究只是讓脊髓損傷患者能夠感受到這種復(fù)雜觸覺(jué)的第一步。為了捕捉研究人員現(xiàn)在能夠編碼并傳達(dá)給用戶(hù)的復(fù)雜觸摸的所有特征，需要更復(fù)雜的傳感器和機(jī)器人技術(shù)（例如假肢皮膚）。用于刺激的植入式技術(shù)也需要發(fā)展，以增加感覺(jué)的范圍。

更多信息

發(fā)表在《科學(xué)》雜志上的這項(xiàng)名為“通過(guò)人體體感皮層的模式微刺激的觸覺(jué)邊緣和運(yùn)動(dòng)”的研究，由Giacomo Valle領(lǐng)導(dǎo)，他現(xiàn)在是瑞典查爾姆斯理工大學(xué)電子工程系的助理教授，在研究期間，他與美國(guó)芝加哥大學(xué)Bensmaia實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)團(tuán)隊(duì)一起工作。

在美國(guó)，這一研究領(lǐng)域已經(jīng)引起了主要的商業(yè)興趣，許多研究機(jī)構(gòu)和私營(yíng)公司現(xiàn)在開(kāi)始將植入式神經(jīng)技術(shù)商業(yè)化，用于這項(xiàng)研究的部分系統(tǒng)現(xiàn)在正在由一家美國(guó)神經(jīng)技術(shù)公司開(kāi)發(fā)。但在歐洲，不同的監(jiān)管環(huán)境可能會(huì)影響新興神經(jīng)技術(shù)的轉(zhuǎn)化，這種情況就少了。這項(xiàng)研究將Chalmers引入了皮質(zhì)仿生學(xué)研究小組，旨在為這一神經(jīng)技術(shù)研究領(lǐng)域建立一個(gè)歐洲中心。

皮層仿生學(xué)研究小組由三所北美大學(xué)組成——匹茲堡大學(xué)、芝加哥大學(xué)和西北大學(xué)。皮層仿生學(xué)研究小組的任務(wù)是建立下一代皮層內(nèi)腦機(jī)接口，使癱瘓或截肢的人能夠靈巧地控制仿生手。

參考文獻(xiàn)：

Tactile edges and motion via patterned microstimulation of the human somatosensory cortex

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