進步的義肢：透過腦部刺激恢復觸覺

摘要：研究人員正在透過大腦刺激來恢復義肢的觸覺感受。他們使用電極放置在大腦的觸覺中心，可以引發穩定且精確的感覺，甚至讓使用者感受到物體的形狀和運動。

這項突破可能使義肢使用者能夠自信地執行需要精細動作控制的任務。長期測試顯示感覺位置穩定，這對於實際使用非常重要。

先進的刺激模式進一步增強了觸覺體驗，模擬自然的觸感。這些創新標誌著神經義肢在改善肢體喪失或感覺障礙者生活品質方面的重大進展。

關鍵事實：

穩定的感覺：大腦刺激在多年內可靠地引發相同的觸覺感受，增強了可用性。動態觸感：刺激模式讓使用者能夠感知運動和形狀，例如滑動的物體或字母。廣泛應用：這種方法可能擴展到恢復其他類型的感覺喪失，包括乳腺切除後的觸感。

來源：芝加哥大學

你可能能夠在不看手的情況下完成很多任務。但是如果你戴上會減弱觸覺的手套，許多簡單的任務就會變得令人沮喪。

失去本體感覺——你感知自己身體相對位置和運動的能力——你甚至可能會不小心打破物品或受傷。

芝加哥大學的神經科學家查爾斯·格林斯龐（Charles Greenspon）博士說：「大多數人並不知道他們有多依賴觸覺而不是視覺——打字、走路、拿起一個脆弱的水杯。」

格林斯龐說：「如果你無法感覺，你必須在做任何事情時不斷地看著自己的手，還是有可能會灑出、壓碎或掉落物品。」

格林斯龐和他的研究團隊最近在《自然生物醫學工程》（Nature Biomedical Engineering）和《科學》（Science）上發表了幾篇論文，記錄了針對這個問題的重大進展：直接、精確計時的電刺激大腦，能夠重建觸覺反饋，讓義肢手感受到細微的「感覺」。

恢復感覺的科學

這些新研究建立在芝加哥大學、匹茲堡大學、西北大學、凱斯西儲大學和黑岩神經科技（Blackrock Neurotech）科學家和工程師多年的合作基礎上。

他們共同設計、建造、實施和改進腦-電腦介面（BCIs）和機器義肢，旨在恢復失去重要肢體功能的人的運動控制和感覺。

在芝加哥大學方面，這項研究由神經科學家斯利曼·本斯馬亞（Sliman Bensmaia）博士領導，直到他在2023年意外去世。

研究人員的義肢感覺方法涉及在負責手部運動和感覺的大腦區域放置微小的電極陣列。

一方面，參與者可以僅通過思考運動來移動機器手臂，另一方面，該機器肢體上的感應器可以觸發稱為皮層內微刺激（intracortical microstimulation, ICMS）的電活動脈衝，這些脈衝作用於大腦中專門負責觸覺的部分。

格林斯龐解釋，約十年來，這種對觸覺中心的刺激只能提供手部不同位置的簡單接觸感。

「我們能夠引發你觸摸某物的感覺，但這主要只是開/關信號，並且通常很微弱，很難知道接觸發生在手的哪個位置。」

新發表的結果標誌著超越這些限制的重要里程碑。

推進對人工觸感的理解

在第一項發表於《自然生物醫學工程》的研究中，格林斯龐和他的同事專注於確保電刺激引發的觸覺感受是穩定的、準確定位的，並且強度足夠用於日常任務。

通過向參與者的觸覺中心的單個電極發送短脈衝，並讓他們報告每個感覺的感受位置和強度，研究人員創建了對應於手部特定部位的大腦區域的詳細「地圖」。

測試顯示，當兩個相距較近的電極同時被刺激時，參與者會感受到更強、更清晰的觸感，這可以改善他們在正確的手部位置定位和測量壓力的能力。

研究人員還進行了全面的測試，以確認相同的電極始終在特定位置產生相應的感覺。

「如果我在第一天刺激一個電極，參與者在他們的拇指上感受到，我們可以在第100天、第1000天，甚至多年後測試同一個電極，他們仍然能在大約相同的位置感受到它。」格林斯龐說，他是這篇論文的主要作者。

從實際的角度來看，任何臨床設備都需要足夠穩定，以便患者在日常生活中依賴它。如果一個電極不斷改變其「觸感位置」或產生不一致的感覺，將會令人沮喪，並需要頻繁重新校準。

相比之下，這項研究揭示的長期穩定性可以讓義肢使用者在運動控制和觸覺感受上建立信心，就像他們在自然肢體中一樣。

增加運動和形狀的感覺

補充的《科學》論文進一步提升了人工觸感的沉浸感和直觀性。該項目由第一作者吉亞科莫·瓦萊（Giacomo Valle）博士主導，他曾是芝加哥大學的博士後研究員，現在在瑞典查爾默斯科技大學繼續他的仿生學研究。

格林斯龐解釋說：「大腦中相鄰的兩個電極不會創造出整齊的小區域，與手部一一對應的感覺；相反，感覺位置會重疊。」

研究人員決定測試他們是否可以利用這種重疊特性來創造讓使用者感受到物體邊界或滑動物體在皮膚上運動的感覺。

在識別出「觸覺區域」重疊的電極對或簇後，科學家們以精心編排的模式激活它們，以生成在感覺地圖上逐漸進展的感覺。

參與者描述感受到一種輕柔的滑動觸感，平滑地經過他們的手指，儘管刺激是以小而獨立的步驟傳遞的。

科學家們將這一結果歸因於大腦出色的能力，能夠將感覺輸入拼接在一起，並通過「填補」感知中的空白來解釋為連貫的運動體驗。

依次激活電極的方法也顯著提高了參與者區分複雜觸覺形狀和對他們觸摸的物體變化作出反應的能力。

他們有時能夠識別在他們的指尖上電氣「描繪」的字母，並能夠使用仿生手在方向盤開始滑落時穩住它。

這些進展幫助將仿生反饋推向更接近自然觸感的精確、複雜和適應能力，為義肢能夠自信地處理日常物品和對變化的刺激作出反應鋪平了道路。

神經義肢的未來

研究人員希望，隨著電極設計和手術方法的持續改進，手部的覆蓋範圍將變得更加細緻，從而實現更真實的反饋。

匹茲堡大學的物理醫學和康復副教授、刺激工作負責人羅伯特·甘特（Robert Gaunt）博士說：「我們希望將這兩項研究的結果整合到我們的機器人系統中，我們已經顯示，即使是簡單的刺激策略也能改善人們用大腦控制機器手臂的能力。」

格林斯龐強調，這項工作的動機是增強肢體喪失或癱瘓者的獨立性和生活品質。

他說：「我們都關心那些受傷並失去肢體功能的人——這項研究就是為了他們。」

「這就是我們如何將觸覺恢復給人們。這是恢復神經技術的最前沿，我們正在努力將這種方法擴展到大腦的其他區域。」

這種方法對於其他類型的感覺喪失者也充滿希望。事實上，該團隊還與芝加哥大學的外科醫生和婦產科醫生合作，進行了仿生乳房項目，旨在生產一種可植入設備，以恢復乳腺切除後的觸覺。

儘管仍然面臨許多挑戰，但這些最新研究提供了證據，表明恢復觸覺的道路變得更加清晰。隨著每一組新發現，研究人員越來越接近未來的願景：義肢不僅是一個功能性工具，而是一種體驗世界的方式。

關於這項神經科技和神經義肢研究新聞

作者：格雷斯·尼維克（Grace Niewijk）來源：芝加哥大學聯絡：格雷斯·尼維克 – 芝加哥大學圖片：該圖片由查爾默斯科技大學（Chalmers University of Technology） | Boid | 大衛·柳伯格（David Ljungberg）提供

原始研究：封閉訪問。「通過人類體感皮層的模式微刺激引發觸覺邊緣和運動」由吉亞科莫·瓦萊等人發表於《科學》。

開放訪問。「通過多電極皮層內微刺激引發穩定且精確的觸覺感受」由吉亞科莫·瓦萊等人發表於《自然生物醫學工程》。

摘要

通過模式微刺激人類體感皮層引發觸覺邊緣和運動

皮層內微刺激（ICMS）體感皮層引發的觸覺感受，其特性可以通過改變刺激參數進行系統性調整。然而，ICMS目前提供的觸覺感受不夠完美，限制了手部靈活性和觸覺體驗。

利用我們對觸覺特徵如何在主要體感皮層（S1）中編碼的理解，我們希望讓癱瘓者了解物體在他們皮膚上的局部幾何形狀和表觀運動。

我們同時通過具有空間模式投影場（PFs）的電極進行ICMS，激發邊緣感受。然後，我們創建複雜的PFs，編碼任意觸覺形狀和皮膚凹陷模式。

通過提供時空模式的ICMS，我們引發了皮膚上的運動感受，其速度和方向可以控制。因此，我們改善了個體的觸覺體驗和使用腦控仿生手的能力。

摘要

通過多電極皮層內微刺激引發穩定且精確的觸覺感受

通過皮層內微刺激（ICMS）可以部分恢復腦控仿生手的觸覺反饋。

在ICMS中，感知的位置取決於電極的位置，感知的強度取決於刺激的頻率和幅度。因此，仿生手上的感應器可以與體感皮層中適當的電極連接，並且每個感應器的接觸力可以用來確定刺激的幅度。

在這裡，我們報告了對三位頸髓損傷參與者的ICMS引發感知的定位和強度的系統性調查。

對投影場的回顧性分析顯示，它們通常由一個焦點熱點和擴散邊界組成，按照其基礎的感受域進行體感排列，並在整個研究期間保持穩定。

當測試參與者快速定位單個ICMS呈現時，單個電極通常只引發微弱的感覺，使物體定位和區分變得困難。

然而，來自多個電極的重疊投影場產生了更可定位和強烈的感覺，並允許更精確地使用仿生手。