指尖的“失而复得”：脑机接口如何重塑仿生手触觉，让义肢拥有“真感觉”

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@小白创作中心

指尖的“失而复得”：脑机接口如何重塑仿生手触觉，让义肢拥有“真感觉”

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想象一下，你闭上眼睛，仅凭双手就能完成穿针引线、灵巧地拿起一个易碎的玻璃杯、甚至在键盘上流畅地输入文字。这些看似简单的日常动作，离不开与生俱来的触觉感官。触觉不仅让我们感知世界的温度、质地和形状，更与我们的运动控制和精细操作能力息息相关。

然而，对于数百万肢体残疾人士而言，触觉的丧失，如同世界蒙上了一层无形的隔膜，让他们难以自如地与外界互动。长期以来，尽管科技不断进步，假肢技术日趋成熟，但 “有类人触感” 的假肢，始终是横亘在科学家和工程师面前的一道难题。

直到这些年脑机接口 (BCI) 技术的兴起，曙光才开始显现。最近，来自芝加哥大学、匹兹堡大学等顶尖机构的科研团队，在《自然-生物医学工程》和《科学》杂志上接连发表重磅论文，宣布在神经假肢触觉反馈技术上取得突破性进展。他们通过精密的脑电刺激，成功地在假肢使用者的大脑中 “重建” 出细腻的触觉，让人工手开始拥有 “真感觉”。这项研究，为神经假肢领域带来了革命性突破，也让人类离 “完美假肢” 的梦想，又近了一步。

值得一提的是，芝加哥大学方面，这项研究由神经科学家Sliman Bensmaia 博士领导，直到他于 2023 年意外去世。

Sliman Bensmaia 博士是神经科学家先驱、触觉领域权威专家。其著名的一项实验，来自2016年，Bensmaia与匹兹堡大学的合作伙伴合作，开发了有史以来的第一个机器人假体设备，该设备为人类的患者提供了逼真的触摸反馈，患者可以控制自己的手臂并用自己的大脑思想控制。该设备让一位名为内森·科普兰的28岁的瘫痪男子，以区分单个手指的触摸和机器人手的手掌。那年秋天，内森·科普兰在白宫活动中用手臂向巴拉克·奥巴马（Barack Obama）打招呼，握手。

触觉缺失的困境：远不止 “感觉不到” 那么简单

“大多数人没有意识到，自己多么依赖触觉而非视觉，” 芝加哥大学神经科学家查尔斯·格林斯潘博士指出， “打字、走路、拿起一杯轻薄的水杯，这些动作都离不开触觉的辅助。” 试想一下，如果戴上一副隔绝触感的厚手套，原本轻而易举的任务，瞬间变得笨拙而充满挫败感。更进一步，如果丧失了本体感觉——感知身体相对位置和运动的能力，我们甚至可能在无意识中捏碎物体，或者伤到自己。对于假肢使用者来说，触觉的缺失不仅仅是 “感觉不到” 那么简单，它直接影响着假肢的实用性和操控精度。

传统的假肢，更多地关注于运动功能的恢复，例如通过肌电信号控制假肢的运动，但缺乏触觉反馈，使得使用者在操作假肢时，如同 “盲人摸象”，难以精确控制力度和动作，容易出现抓握不稳、用力过猛等问题。“如果感觉不到，你必须时刻盯着你的手，才能完成任何动作，即便如此，仍然可能发生洒出液体、捏碎物体或掉落物品的情况，” 格林斯潘博士解释道。触觉反馈的缺失，严重制约了假肢的精细操作能力，也降低了使用者对假肢的信任感和使用意愿。因此，如何为假肢 “找回” 触觉，成为神经假肢研究领域亟待解决的关键难题。

脑机接口“神来之笔”：电刺激唤醒大脑沉睡的触觉区

为了攻克这一难题，格林斯潘博士和他的研究团队，联合匹兹堡大学、西北大学、凯斯西储大学等机构的科学家和工程师，展开了长达十余年的合作攻关。他们另辟蹊径，没有将重点放在改进假肢的机械结构或传感器技术上，而是将目光投向了人脑本身—— 他们试图通过脑机接口技术，直接刺激大脑中负责触觉感知的区域，人为地 “制造” 出触觉反馈。他们的方案是，在参与者大脑中负责控制手部运动和感知触觉的皮层区域，植入微小的电极阵列。当参与者通过意念控制机械手臂运动时，安装在机械手臂上的传感器，能够实时捕捉触觉信息，并将这些信息转化为特定的电脉冲信号，通过植入大脑皮层的电极阵列，精准地刺激大脑中负责触觉感知的神经元。

这种被称为 “皮层内微刺激 (ICMS)” 的技术，如同 “神来之笔”，直接绕过了外周神经系统，将触觉信息 “直达” 大脑中枢。然而，早期的研究发现，通过 ICMS 技术产生的触觉反馈，非常有限且粗糙。“我们过去只能唤起一种简单的接触感，就像一个 ‘开/关’ 信号，而且信号通常很微弱，很难分辨接触点具体在手部的哪个位置，” 格林斯潘博士坦言。为了突破这一瓶颈，研究团队在刺激模式和信号解码方面进行了深入探索和优化。

精确定位与稳定刺激：打造“指哪打哪”的触觉地图

在《自然-生物医学工程》杂志上发表的第一项研究中，格林斯潘博士和同事们聚焦于提升电刺激触觉的稳定性、定位精度和强度，确保人工触觉能够像真实触觉一样，稳定可靠，并且能够准确地反映刺激的位置和强度变化。他们通过向参与者大脑触觉中心的单个电极，传递短促的电脉冲，并记录参与者对每次刺激的感知位置和强度。通过大量的测试，研究人员绘制出了详细的 “大脑触觉地图”，精确地标定出大脑皮层不同区域与手部不同部位的对应关系。他们还发现，当同时刺激两个位置相近的电极时，参与者能够感受到更强烈、更清晰的触觉，这有助于提升他们定位和感知手部压力变化的能力。

更重要的是，研究人员进行了长期的跟踪测试，验证了电刺激触觉的长期稳定性。“如果我在第一天刺激某个电极，参与者感觉刺激点在拇指上，那么在第 100 天、第 1000 天，甚至多年以后，当我们再次刺激同一个电极时，他们仍然会在大致相同的位置感受到触觉，” 格林斯潘博士解释道。这种长期稳定性至关重要，它意味着未来的临床设备能够像自然肢体一样，为使用者提供可靠、持久的触觉反馈，而无需频繁的校准和调整。

滑动、塑形与动态感知：让触觉“活”起来

如果说《自然-生物医学工程》的研究，解决了人工触觉的 “稳定可靠” 问题，那么发表在《科学》杂志上的第二项研究，则更进一步，探索如何让人工触觉 “活” 起来，使其能够像真实触觉一样，感知物体的运动、形状和动态变化。这项研究由芝加哥大学前博士后研究员贾科莫·瓦莱博士主导。研究人员发现，大脑中相邻的电极刺激点，并非像 “瓷砖” 一样，与手部的不同区域一一对应，而是存在 “触觉区域重叠” 的现象。基于这一发现，他们大胆设想，能否利用这种 “重叠” 特性，通过精心编排电极刺激的时序和模式，模拟出物体在皮肤上滑动或移动的感觉？

实验结果令人惊喜。研究人员通过 “序列激活” 重叠触觉区域的电极，成功地在参与者指尖 “虚拟” 描绘出平滑的滑动触感。尽管刺激是以离散的、阶梯式的方式传递的，但大脑却能够巧妙地将这些离散的信号 “缝合” 起来， “脑补” 出连贯、流畅的运动体验。更令人兴奋的是，这种 “序列刺激” 方法，显著提升了参与者识别复杂触觉形状和感知物体动态变化的能力。

他们甚至能够辨识出在指尖上 “电描” 的字母，并能够利用仿生手臂，在方向盘打滑时及时调整力度，保持方向盘的稳定。这些突破性的进展，让人工触觉向精确、复杂、自适应的真实触觉又迈近了一大步，为未来开发能够灵巧操控日常物品、并对外界刺激做出快速反应的神经假肢，铺平了道路。

神经仿生义肢的未来：从工具到身体的延伸

研究人员希望，随着电极设计和手术方法的不断改进，未来能够实现更精细、更全面的手部触觉覆盖，让神经假肢的触觉反馈更加逼真、自然。他们希望将这两项研究的成果，整合到我们的机器人系统中，我们已经证明，即使是简单的刺激策略，也能显著提升人们用意念控制机械手臂的能力。同样，Neuralink正在开启脑机接口控制假肢机械臂的研究项目。

格林斯潘博士强调，这项研究的最终目标，是提升肢体残疾人士的独立生活能力和生活质量。

“我们都关心身边那些遭受意外伤害、失去肢体功能的人们，这项研究就是为了他们而做的，” 他说， “这就是我们如何为人们重建触觉的方式。这是康复神经技术的前沿，我们正在努力将这种方法推广到大脑的其他区域。”

事实上，这项技术也为其他类型的感官功能障碍带来了希望。研究团队已经与芝加哥大学的外科医生和产科医生合作，启动了 “仿生乳房项目”，旨在开发一种可植入设备，帮助乳腺切除术后的女性恢复乳房的触觉。美国有 380 多万乳腺癌幸存者，其中约三分之一接受了乳房切除术，数十万人接受了乳房重建手术，每年有超过 10 万名女性切除一侧或两侧乳房。