文獻(xiàn)解讀：腦機(jī)接口讓神經(jīng)假肢的觸感更加真實(shí)

你可能不用看就能用手完成許多驚人的任務(wù)。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(wù)就會(huì)變得令人沮喪。如果失去了本體感受——即感知身體相對(duì)位置和運(yùn)動(dòng)的能力——你甚至可能會(huì)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(shù)的進(jìn)步，該技術(shù)可讓人感受到仿生手“皮膚”上物體移動(dòng)的形狀和運(yùn)動(dòng)。

芝加哥大學(xué)神經(jīng)科學(xué)家CharlesGreenspon博士表示，“大多數(shù)人沒有意識(shí)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(shí)都必須時(shí)刻注意自己的手，而且仍然有打翻、壓碎或掉落物品的風(fēng)險(xiǎn)。”

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

本文通過在患者腦內(nèi)植入微電極陣列同時(shí)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(hào)。并使用CereStim 96刺激器（Blackrock Neurotech）給予電極陣列脈沖刺激。


 

恢復(fù)感覺的科學(xué)
這些新的研究由芝加哥大學(xué)、匹茲堡大學(xué)、西北大學(xué)、凱斯西儲(chǔ)大學(xué)和貝萊德神經(jīng)科技公司的科學(xué)家和工程師多年合作，同心協(xié)力進(jìn)行的。他們共同設(shè)計(jì)、建造、實(shí)施和完善腦機(jī)接口（BCIs）和機(jī)器人假肢，旨在恢復(fù)失去大部分肢體功能的人的運(yùn)動(dòng)控制和感覺。

在芝加哥大學(xué)方面，這項(xiàng)研究由神經(jīng)科學(xué)家Sliman Bensmaia博士領(lǐng)導(dǎo)，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(fù)責(zé)手部運(yùn)動(dòng)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(dòng)作來移動(dòng)機(jī)械手臂，而在另一邊，機(jī)械手臂上的傳感器可以觸發(fā)大腦中負(fù)責(zé)觸摸的部分的稱為皮質(zhì)內(nèi)微刺激（ICMS）的電活動(dòng)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(shí)間里，這種對(duì)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(gè)開/關(guān)的信號(hào)，而且信號(hào)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(jié)果標(biāo)志著突破這些限制的重要里程碑。

加深對(duì)人工觸覺的理解

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

研究人員通過向參與者觸覺中樞的各個(gè)電極發(fā)送短脈沖，讓他們報(bào)告每個(gè)感覺的位置和強(qiáng)度，從而繪制出與手部特定部位相對(duì)應(yīng)的大腦區(qū)域詳細(xì)“地圖”。測(cè)試顯示，當(dāng)兩個(gè)距離很近的電極同時(shí)受到刺激時(shí)，參與者會(huì)感到更強(qiáng)烈、更清晰的觸覺，從而提高他們定位和測(cè)量手部正確部位壓力的能力。

PFs加起來產(chǎn)生焦點(diǎn)和定位良好的感覺

研究人員還進(jìn)行了詳盡的測(cè)試，以確認(rèn)同一電極始終能產(chǎn)生與特定位置相對(duì)應(yīng)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(cè)試同一電極，他們?nèi)匀粫?huì)在大致相同的位置感覺到它。”

從實(shí)際的角度來看，任何臨床設(shè)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(huì)讓人很沮喪，需要經(jīng)常重新校準(zhǔn)。相比之下，這項(xiàng)研究揭示的長期一致性可以讓假肢使用者對(duì)他們的運(yùn)動(dòng)控制和觸覺產(chǎn)生信心，就像他們對(duì)自己的肢體一樣。

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

“大腦中兩個(gè)相鄰的電極不會(huì)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(duì)應(yīng)；相反，感覺位置是重疊的，”Greenspon解釋說，他與Bensmaia共同擔(dān)任該論文的資深作者。

研究人員決定測(cè)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(dòng)的運(yùn)動(dòng)。在確定了“觸摸區(qū)域”重疊的電極對(duì)或電極簇之后，科學(xué)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(jìn)的，但他們還是感覺到手指上有一股輕柔的滑動(dòng)觸感�？茖W(xué)家將這一結(jié)果歸因于大腦非凡的能力，即通過“填補(bǔ)”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(dòng)體驗(yàn)。

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

這些進(jìn)步有助于仿生反饋更接近自然觸覺的精確、復(fù)雜和適應(yīng)性，使人們能夠自信地處理日常物品并應(yīng)對(duì)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(shè)計(jì)和手術(shù)方法的持續(xù)改進(jìn)，覆蓋整個(gè)手部的電極將變得更加精細(xì)，從而提供更逼真的反饋。

“我們希望將這兩項(xiàng)研究的結(jié)果整合到我們的機(jī)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(jī)械臂的能力，”論文合著者、匹茲堡大學(xué)物理醫(yī)學(xué)和康復(fù)學(xué)副教授、刺激研究負(fù)責(zé)人羅伯特·岡特博士（Robert Gaunt）說道。

Greenspon強(qiáng)調(diào)，這項(xiàng)工作背后的動(dòng)機(jī)是提高肢體喪失或癱瘓患者的獨(dú)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(shí)上，該小組還與芝加哥大學(xué)的外科醫(yī)生和產(chǎn)科醫(yī)生合作開展了“仿生乳房項(xiàng)目”，該項(xiàng)目旨在生產(chǎn)一種可植入的裝置，可以在乳房切除術(shù)后恢復(fù)觸覺。

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

參考文獻(xiàn)：
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(jī)接口社區(qū)

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