文 | 追问nextquestion
现实生活中，触觉不仅仅是感知的一部分，更是与世界建立联系的桥梁。无论是脚下细软的沙滩，还是手中凝结着水珠的玻璃杯，触觉让我们感受到生活的质地与温度。对于那些由于神经系统受损而失去这种能力的人来说，重新建立这种联系似乎是一个遥不可及的梦想。然而，随着科技的不断进步，这个梦想正逐渐变为现实。
01 仿生电刺激的革命
早在十八世纪，就有记载称英国医生使用摩擦静电来刺激病人大脑，声称能够激发患者的兴奋感并改善其精神状态。近年来，“升级版”的电刺激法已经成为恢复残疾人士部分感觉运动功能的一个重要手段。这种方法利用微小的植入式电极来刺激神经系统，尝试建立假肢与大脑之间的直接交流(Raspopovic, Valle and Petrini)。尽管如此，与人类自然手的灵活性和触觉相比，当前技术仍然有很大的差距(Johansson and Flanagan)。主要的挑战在于，该如何通过电刺激唤起直观且自然的感觉，从而让残疾人更好地与外界物体互动？
▷图 1：电刺激的今昔对比。图源：https://www.nsmedicaldevices.com/analysis/brain-stimulation-therapy-history/（左）；https://www.eurekalert.org/multimedia/871164 （右）。
02 仿生神经刺激的突破
《自然》杂志上一篇开创性的论文为这一挑战提供了解决方案(Valle et al.)。研究团队开发了一个以仿生方法为核心的神经假体框架。这个框架的核心是一个叫做FootSim的仿生神经刺激模型，它能够模拟人类足底的触觉感受，包括压力和触感的细微变化。触碰足底的某个特定位置时，FootSim就能输出相应的神经激活反应。研究者通过FootSim设计出了各种仿生神经刺激策略。例如，他们可以设置模拟行走情景的压力分布，然后观察这种分布对足底触觉神经的激活效果。那么，这种仿生神经刺激策略到底自不自然呢？
▷Valle, Giacomo, et al. "Biomimetic computer-to-brain communication enhancing naturalistic touch sensations via peripheral nerve stimulation." Nature Communications 15.1 (2024): 1151.
03 仿生神经刺激在动物中的测试
为了探讨自然性的问题，研究的一个关键部分是以猫为实验对象，探索电刺激模拟自然神经活动的可能性。实验中，两只猫被去大脑化，以便分析仅限于反射响应的神经活动，同时避免了自主运动可能引起的信号干扰。通过在胫神经（tibial nerve）上植入电极进行电刺激，研究者能够调节刺激强度，使其略高于引起脊髓潜在反应的阈值。通过这种设置，研究者观察并记录了在脊髓和背根神经节（dorsal root ganglia）中的神经反应。
实验结果表明，与强直电刺激相比，使用仿生模式的刺激产生的神经动态与通过物理接触（如用棉花棒触摸猫的腿）产生的自然神经活动更为相似。而使用常规的50赫兹模式的非自然刺激则产生了不同的神经动态。这一发现验证了团队的假设，仿生刺激的确能够更准确地模拟和复制自然神经活动。
这项动物实验具有重要意义，它证明了电刺激能够作为一种有效的工具生成与自然触觉感知相似的人工神经激活模式，并且这些模式可以有效地传递到感觉神经系统的上游区域。但是，如果将这种仿生刺激应用到人类身上，结果会如何呢？
04 仿生神经刺激在截肢患者中的应用
进一步的临床试验在三名坐骨（sciatic nerve）截肢患者上进行，通过植入电极直接刺激下肢的周围神经。当三名参与者受到仿生电刺激时，他们的自然度评估（0表示完全不自然，5表示完全自然，如皮肤凹陷时的感觉）均值在3左右，而受到传统的线性或正弦（非自然）电刺激时自然度则降为1左右。这一结果不仅验证了仿生神经刺激编码的有效性，还显示出它比传统非仿生刺激方法产生的感觉更自然。
研究进而探讨了将仿生神经刺激应用于实时神经假肢系统的效果。这个系统包括感应鞋垫、基于微处理器的膝盖假肢等，能够将穿戴者行走时的压力信息转换为仿生神经刺激模式。结果表明，与传统神经刺激方法相比，该系统不仅提升了患者的步行速度，还增强了患者上楼梯时的自信，并在执行双重任务时减轻了心理负担。
▷图2：开发一个模仿人体感觉的神经假体的三个关键步骤：首先，使用脚底仿生刺激模型来模拟神经系统是如何处理触觉的。然后，通过在动物身上进行实验来测试这些仿生刺激是否与自然刺激相似。最后，将这种仿生刺激技术植入人体，并在真实的生活环境中测试它的效果。图源：原始论文。
05 仿生神经刺激的未来
这项研究不仅展示了仿生神经刺激在恢复和增强触觉感知方面的巨大潜力，还突显了其在促进人与机器之间更自然互动的可能性。通过模拟自然触觉的复杂性，研究为那些失去自然感觉能力的人提供了一线希望，展望了一个能够通过先进技术重建、甚至增强人类感官体验的未来。
随着仿生技术的不断发展和完善，我们可以期待更多针对不同感官失能的解决方案出现，不仅仅限于触觉。这些技术的发展将极大地提升残疾人士的生活质量，使他们能够更自信、更独立地参与到社会生活中。这些进步预示着一个在人机交互、神经科学和康复医学等多个领域都将实现重大突破的未来。随着这些技术的成熟和普及，我们有望见证一个更加包容、更有同情心的社会，其中每个人都能充分地体验和享受生活的每一个触觉瞬间。
参考文献：
- Johansson, R. S., and J. R. Flanagan. "Coding and Use of Tactile Signals from the Fingertips in Object Manipulation Tasks." Nat Rev Neurosci 10.5 (2009): 345-59. Print.
- Raspopovic, S., G. Valle, and F. M. Petrini. "Sensory Feedback for Limb Prostheses in Amputees." Nat Mater 20.7 (2021): 925-39. Print.
- Valle, G., et al. "Biomimetic Computer-to-Brain Communication Enhancing Naturalistic Touch Sensations Via Peripheral Nerve Stimulation." Nat Commun 15.1 (2024): 1151. Print.
