两篇最近的文章详细介绍了神经假肢技术的进展，使个体能够通过仿生手的“皮肤”感知物体的形状和运动。
你可能在完成许多任务时不需要看自己的手。然而，如果你戴上抑制触觉的手套，这些简单的任务可能会变得令人沮丧。如果你失去了本体感觉——感知自己身体位置和运动的能力——你可能会损坏物品或伤害自己。
“许多人低估了他们对触觉而非视觉的依赖程度——输入文字、走路或抓取一杯易碎的水这样的活动，”芝加哥大学的神经科学家查尔斯·格林斯波恩博士指出。“当你无法感知任何东西时，你必须不断监控自己的手来完成任务，这增加了洒落、压碎或掉落物品的风险。”
格林斯波恩和他的研究团队最近在《自然生物医学工程》和《科学》上发表了文章，展示了旨在解决该问题的技术的重大进展：对大脑进行直接和准确计时的电刺激，以重现假肢手的触觉感觉。
恢复感觉的科学
新的研究建立在芝加哥大学、匹兹堡大学、西北大学、凯斯西储大学和黑岩神经科技等机构之间多年的合作基础上。它们正在开发脑-机接口（BCI）和机械假肢，旨在恢复失去重大肢体功能的个体的运动和感觉。
芝加哥大学的这一努力由神经科学家斯利曼·本斯迈亚博士领导，他不幸于2023年意外去世。
研究人员恢复假肢感觉的方法涉及在负责手部运动和感觉的大脑区域植入微小的电极阵列。一侧允许参与者仅通过思考来移动机械手臂，而另一侧则在机械肢体上激活传感器，在大脑的触觉区域产生称为皮层内微刺激（ICMS）的电脉冲。
格林斯波恩提到，约十年来，这种刺激只能在手部的各个区域提供简单的接触感。
“我们可以制造出触摸某物的感觉，但这主要只是一个简单的开/关信号，通常很弱且难以定位，”他解释道。
新发布的发现代表了克服这些局限性的一大进步。
增强对人工触觉的理解
在《自然生物医学工程》上发表的第一项研究中，格林斯波恩和他的同事旨在确保电刺激产生的触觉感受稳定、准确定位，并足够强大以供实际使用。
通过向参与者的触觉中枢的单个电极发送短脉冲，并让他们指明每种感觉的位置和强度，研究人员创建了与手部特定部位相对应的大脑区域的复杂“地图”。实验表明，当两个相邻的电极同时激活时，参与者体验到更强、更清晰的触觉，改善了他们识别和评估手部正确部位压力的能力。
研究小组还进行了全面测试，确认同一个电极在特定区域持续刺激感觉。
“如果我在第一天激活一个电极，参与者在他们的拇指上感到它，我们可以在第100天、第1,000天甚至几年后再次测试该电极，他们仍然会在大致相同的位置感受到它，”作为本研究的主要作者，格林斯波恩说道。
从实际角度来看，任何临床设备必须足够一致，以便患者在日常生活中依赖。如果电极的“触摸位置”经常变化或提供不一致的感觉，这将令人沮丧，并需要定期重新校准。相反，本研究显示的长期稳定性可能使假肢用户能够对自身的运动技能和触觉产生信任，与他们的自然肢体相似。
创建运动和形状的感觉
伴随的《科学》论文进一步探讨了使人工触觉更加引人入胜和直观的下一步。该项目由吉亚科莫·瓦尔博士领导，他是芝加哥大学的前博士后研究员，现在在瑞典查尔默斯理工大学推进仿生学研究。
“当大脑中两个相邻的电极被刺激时，它们并不只是创建与手部一对一对应的整齐补丁；相反，感觉区域是重叠的，”格林斯波恩指出，他与本斯迈亚共同担任该论文的资深作者。
研究人员旨在看看他们能否利用这种重叠特性来创建使用户能够感知物体边缘或滑动物体在皮肤上运动的感觉。在识别具有重叠“触摸区域”的电极对或组后，科学家们精确地按照协调的模式激活它们，以产生遍历感觉地图的感觉。
参与者报告说，即使刺激以小而独立的步骤传递，他们仍然体验到手指上的一种平滑、滑动的触觉。研究人员将这一成就归功于大脑整合感觉输入的非凡能力，并通过“填补”感知缺口将其解释为连贯的、运动的体验。
这种顺序电极激活的方法还大大增强了参与者感知复杂触觉形状的能力，并能对触摸物体的变动做出反应。他们甚至可以识别在指尖上电气“绘制”的字母，并使机械手臂在滑动的方向盘上保持稳定。
这些进展使仿生反馈更接近于自然触觉的复杂、可适应能力，为假肢使用者自信地与日常物品互动并适应变化的刺激铺平了道路。
神经假肢的未来
研究人员对随着电极技术和外科技术的进步，手部的敏感性将变得更加精细，进而获得更逼真的反馈感到乐观。
合著者、匹兹堡大学物理医学与康复副教授以及刺激研究的负责人罗伯特·冈特博士表示，“我们希望将这两项研究的发现整合到我们的机器人系统中，在那里我们已经证明，即使是基本的刺激策略也能够增强个体使用思维控制机械手臂的能力。”
格林斯波恩强调，这项研究的目标是改善经历肢体损失或瘫痪的个体的独立性和生活质量。
“我们非常关心生活中遭受伤害和失去肢体功能的人——这项研究献给他们，”他表示。“这就是我们如何恢复触觉的方式。这代表着恢复性神经技术的前沿，我们正在努力将这种方法扩展到大脑的其他区域。”
这种方法也显示出对其他类型感觉障碍个体的潜力。事实上，团队与芝加哥大学的外科医生合作，开展仿生乳腺项目，旨在创建一种可植入设备以恢复乳腺切除后的触觉。
尽管还有许多挑战在前，但是这些最近的研究提供了有希望的证据，表明恢复触觉的旅程正变得更加清晰。随着每一个新的发现，研究人员正在朝着一个未来迈进，在这个未来假肢不仅仅是功能性工具，还是体验世界的手段。
