文献解读：脑机接口让神经假肢的触感更加真实

你可能不用看就能用手完成许多惊人的任务。但是，如果你戴上手套，让你的触觉变得模糊，那么许多简单的任务就会变得令人沮丧。如果失去了本体感受——即感知身体相对位置和运动的能力——你甚至可能会弄坏物品或伤害自己。

最近连续两篇新论文记录了神经假肢技术的进步，该技术可让人感受到仿生手“皮肤”上物体移动的形状和运动。

芝加哥大学神经科学家CharlesGreenspon博士表示，“大多数人没有意识到他们经常依赖触觉而不是视觉比如打字、走路、端起一杯水。如果你没有触觉，做任何事情时都必须时刻注意自己的手，而且仍然有打翻、压碎或掉落物品的风险。”

最近，Greenspon和他的研究合作者在《自然·生物医学工程与科学》杂志上发表论文，记录了旨在解决这一问题的重大技术进展：对大脑进行直接、精确的定时电刺激，从而为假肢手提供细微的“感觉”。

本文通过在患者脑内植入微电极阵列同时使用NeuroPort系统（Blackrock Neurotech）在30 kHz下记录来自M1阵列的神经信号。并使用CereStim 96刺激器（Blackrock Neurotech）给予电极阵列脉冲刺激。


 

恢复感觉的科学
这些新的研究由芝加哥大学、匹兹堡大学、西北大学、凯斯西储大学和贝莱德神经科技公司的科学家和工程师多年合作，同心协力进行的。他们共同设计、建造、实施和完善脑机接口（BCIs）和机器人假肢，旨在恢复失去大部分肢体功能的人的运动控制和感觉。

在芝加哥大学方面，这项研究由神经科学家Sliman Bensmaia博士领导，直到他在2023年意外去世。

研究人员的假肢感知方法包括在向大脑中负责手部运动和感觉的大脑区域放置微小的电极阵列。参与者可以通过简单地思考动作来移动机械手臂，而在另一边，机械手臂上的传感器可以触发大脑中负责触摸的部分的称为皮质内微刺激（ICMS）的电活动脉冲。

所有参与者的阵列植入位置和感知图

 

Greenspon解释说，在大约十年的时间里，这种对触觉中心的刺激只能在手上的不同地方提供一种简单的接触感。

他说：“我们可以唤起你触摸东西的感觉，但这主要是一个开/关的信号，而且信号通常很弱，很难分辨手部的接触发生在何处。”

新发布的研究结果标志着突破这些限制的重要里程碑。

加深对人工触觉的理解

在《自然·生物医学工程》杂志上发表的第一项研究中，Greenspon和他的同事专注于确保电触觉稳定、定位准确且强度足以用于日常任务。

研究人员通过向参与者触觉中枢的各个电极发送短脉冲，让他们报告每个感觉的位置和强度，从而绘制出与手部特定部位相对应的大脑区域详细“地图”。测试显示，当两个距离很近的电极同时受到刺激时，参与者会感到更强烈、更清晰的触觉，从而提高他们定位和测量手部正确部位压力的能力。

PFs加起来产生焦点和定位良好的感觉

研究人员还进行了详尽的测试，以确认同一电极始终能产生与特定位置相对应的感觉。

Greenspon表示：“如果我在第一天刺激电极，参与者感觉到的是拇指，那么我们可以在第100天、第1000天甚至很多年后测试同一电极，他们仍然会在大致相同的位置感觉到它。”

从实际的角度来看，任何临床设备都需要足够稳定，以便患者能够在日常生活中依赖它。电极如果不断改变“接触位置”或产生不一致的感觉，会让人很沮丧，需要经常重新校准。相比之下，这项研究揭示的长期一致性可以让假肢使用者对他们的运动控制和触觉产生信心，就像他们对自己的肢体一样。

增加运动和形状的感觉
《科学》杂志的补充论文更进一步，使人工触觉更加身临其境和直观。该项目由第一作者贾科莫·瓦莱（Giacomo Valle）博士领导，他是芝加哥大学的前博士后研究员，现在瑞典查尔姆斯理工大学继续他的仿生学研究。

“大脑中两个相邻的电极不会产生将手分成整齐小块的感觉，且这些小块与大脑中的电极一一对应；相反，感觉位置是重叠的，”Greenspon解释说，他与Bensmaia共同担任该论文的资深作者。

研究人员决定测试他们是否可以利用这种重叠的性质来创造感觉，让用户感受到物体的边界或物体在他们皮肤上滑动的运动。在确定了“触摸区域”重叠的电极对或电极簇之后，科学家们以精心编排的模式激活它们，以产生在感觉地图上不断发展的感觉。

参与者描述说，尽管刺激是以小步幅递进的，但他们还是感觉到手指上有一股轻柔的滑动触感。科学家将这一结果归因于大脑非凡的能力，即通过“填补”感知中的空白，将感官输入整合在一起，并将其解释为连贯的移动体验。

顺序激活电极的方法也显著提高了参与者区分复杂触觉形状和对他们触摸的物体变化做出反应的能力。他们有时可以在指尖上用电“描摹”出字母表中的字母，当方向盘从手中滑落时，他们可以使用仿生手臂来稳定方向盘。

这些进步有助于仿生反馈更接近自然触觉的精确、复杂和适应性，使人们能够自信地处理日常物品并应对不断变化的刺激。

神经假肢的未来
研究人员希望，随着电极设计和手术方法的持续改进，覆盖整个手部的电极将变得更加精细，从而提供更逼真的反馈。

“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，我们已经证明，即使简单的刺激策略也可以提高人们用大脑控制机械臂的能力，”论文合著者、匹兹堡大学物理医学和康复学副教授、刺激研究负责人罗伯特·冈特博士（Robert Gaunt）说道。

Greenspon强调，这项工作背后的动机是提高肢体丧失或瘫痪患者的独立性和生活质量。

这种方法也为其他类型的感觉丧失患者带来了希望。事实上，该小组还与芝加哥大学的外科医生和产科医生合作开展了“仿生乳房项目”，该项目旨在生产一种可植入的装置，可以在乳房切除术后恢复触觉。

尽管仍然存在许多挑战，但最新的研究表明，恢复触觉的道路正变得越来越清晰。随着每项新发现的问世，研究人员离未来越来越近，届时，假肢将不仅仅是一个功能性工具，而是一种体验世界的方式。
 

参考文献：
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

文章来源于：脑机接口社区

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