神經工程領域的歷史性突破，研究者親述如何打造堪比真手觸覺的假手

編者按：自1958年仿生學（bionics）一詞誕生以後的幾十年里，人類一直都致力於造出各類「仿生」器官，以幫助那些因為先天或者後天而造成某種「缺失」的同胞們。就人類的「五感」而言，聽覺、視覺、味覺和嗅覺都先後取得了突破性進展，如今，「人工觸覺」的應用也進入了倒計時。

達斯丁·J·泰勒是克利夫蘭凱斯西儲大學功能神經界面實驗室主任。他在科學和工程領域探索人類直接與機器交互的方法。他將親自告訴你，他是如何打造一隻堪比真手觸覺的假手，以及這項感覺模擬技術將在許多方面改變我們的生活，可以讓人們以之前從未有過的方式觸摸物體併產生感覺。

伊戈爾·斯派提克（Igor Spetic）是位於克利夫蘭的路易斯·斯托克斯退伍軍人醫療中心的志願者。他的右手因工傷失去，現在是塑料和金屬製成的假手。他可以通過右臂肌肉的收縮和伸張控制一隻假手，但這隻假手與目前大多數截肢者使用的假手一樣，控制起來非常笨拙。

斯派提克用右手抓住這隻葡萄，試圖把葡萄從葡萄串上摘下來。但沒有成功，葡萄被他的右手手指捏破了。

接下來，我們啟動了這隻假手的觸覺模擬系統。該系統是我們團隊在克利夫蘭凱斯西儲大學（Case Western Reserve University）功能神經界面實驗室的研發成果。兩位外科醫生已經在斯派提克的右臂中植入了電極，這些電極在20個部位與他的3根手臂神經接觸。

刺激不同的神經纖維，斯派提克就會有感覺——就像來自於他那隻失去的右手。比如，刺激某個點，斯派提克會感到有人摸他的右手掌；刺激另外一個點，他的「右手拇指」就會有感覺，等等。

為了測試這些感覺能否使斯派提克更好地控制他的假手，我們將薄膜力感測器植入他的假手的拇指、食指和中指，並根據這些感測器發來的信號，控制植入他手臂的電極發出相應的刺激信號。斯派提克又拿起了一個葡萄，這次，他靈巧地用右手抓住葡萄，左手拔下了葡萄柄。在這個過程中，葡萄沒有受一點損傷。

在我們的實驗中，啟動觸覺模擬系統後，斯派提克摘下葡萄柄而不捏破葡萄的成功率為93%，而不啟動觸覺模擬系統的成功率僅為43%。此外，斯派提克表示，觸覺模擬系統使他覺得他不是在使用某種人造工具，而是在使用自己的右手。當我們啟動觸覺模擬系統後，他說：「這就是我的右手」。

在一次工傷中失去右手的伊戈爾·斯派提克（右）,與作者達斯丁·J·泰勒（左）

接下來，我們希望造出感覺堪比真手的假肢。我們的近期成果不錯：斯派提克有一小會兒甚至忘了他已經失去了右手。現在，我們的觸覺系統還很不完善，並且還只是實驗室產品。斯派提克手臂上的電極必須與我們的控制電腦連線，以便控制電腦發出刺激信號。

然而，這畢竟是有史以來第一次讓一個失去手的人能夠擁有類似真手的感覺。

我們正在努力研發可完全植入病人手臂內的系統，我們希望5年內該系統能投入臨床試驗。

如果我們真的能夠讓假手擁有觸覺呢？現在，殘疾人使用假手只能進行不需要精巧性的工作，比如抓握。我們的假手系統提供的感覺反饋能夠提高殘疾人對假手的控制能力，讓他們的假手能從事生活中更多的細微操作。

此外，我們希望，殘疾人通過假手能重新感知他人的情感，並表達自己的情感。當我們向斯派提克和其他假手用戶詢問，他們希望如何改進我們的假肢系統時，他們都希望：能握著愛人的手併產生和原來真手一樣的感覺。我們的技術應該能幫助他們做到這一點。

我的整個職業生涯都獻給了人類與機器交互的研究。我在生物工程和神經工程領域的研究工作促使我探求以下基本問題的答案：

1）電路如何向神經發送神經能夠理解的信息？

2）基於1），我們如何讓一個失去手的人重新獲得手的感覺？

3）我們能夠用2）的技術讓其他人的生活更美好么？

過去的幾十年，神經工程領域發生了十分顯著的進步，包括更好的、能植入大腦或身體的硬體，以及能夠理解並模仿自然神經信號的軟體。神經系統通過電刺激在腦細胞之間傳遞信息，或者在神經元之間傳遞信息。這些信號控制身體包括肌肉在內的運動部分，然後，神經再把感覺、肢體位置、肌肉力量等反饋信息傳輸回來。

通過將電極直接植入肌肉，或者讓電極圍繞著控制肌肉運動的神經，我們可以給這些電極發送如移動手指、站起來和抬腿的信號。近期的更多工作集中在認識和模擬感覺系統，這些工作受到美國退伍軍人事務部和國防高級計劃研究局「手本體感受和觸覺界面（Hand Proprioception and Touch Interfaces （HAPTIX））」項目的支持。

我們團隊的觸覺神經介面研究工作受到了以上2個部門的支持，但研究焦點放在模擬失去的手與大腦之間的通訊信號。觸覺神經介面的工程研發很困難，因為電腦必須精確刺激人的手臂神經，又不能干擾手臂神經的正常工作。此外，這套系統還得在植入人體的情況下正常工作多年。

有幾種辦法來設計一個植入式神經介面。對人體損傷最小的方法是將電極埋入肌肉，埋入點位於神經與肌肉的連接處附近。基於該方法的系統已經被用來恢復中風、脊柱損傷和其他神經損傷病人的肌肉功能。人體基本上不會排斥這些電極，通過簡單手術更換這些電極也很容易。但是，當電極刺激肌肉運動時，可能需要高達20毫安的電流。這跟織物靜電打痛你時的電流差不多。更糟的是，這麼大電流有時也不足以完全驅動肌肉。

對人體損傷最大的方法之一是直接將電極植入神經，並讓電極儘可能接近目標神經軸突——即神經細胞傳遞信號的部分。這樣可以顯著減小所需電流，並且可以精確刺激一部分選中的軸突，而不是刺激全部軸突。但是，人體對植入神經細胞保護層內的物體有強烈排斥。動物實驗中，神經細胞會通過發炎的方式把電極擠出神經軸突。

重建觸覺

為了讓一隻假手有感覺，凱斯西儲大學研究人員通過外科手術，將電極植入負責傳輸手感覺信號的正中神經、橈神經和尺神經。扁平電極（右上圖）可以讓電流接觸神經纖維比傳統環形電極（左上圖）更加有效。當準確的電信號通過電極導入神經纖維後，人腦會感到他的手心和手背的特定部位被接觸，並有不同的觸感。儘管信號目前來自外部計算機，研究人員下一步計劃將控制晶元植入人體，它可以與假手進行無線通信。

介於兩種手段之間的方法是讓電極貼在神經軸突表面。目前，能夠在一個點刺激神經的系統已經商業化，用於治療癲癇，並幫助中風病人說話和吞咽。更複雜的多點神經刺激系統已經經過了10年的臨床試驗，用來恢復脊柱損傷患者上下肢的功能。

20世紀90年代末，我的研究團隊已經開始研究這種神經接觸電極。早期我們解決的一個問題是，如何在不傷及神經的情況下儘可能增加電極和神經的接觸面積。傳統電極的圓柱形狀和小接觸面積使得它們不適合作為環繞電極。我們將電極製成扁平狀，使得電極能夠跟神經緊密貼合。

電極連接：這些由作者團隊發明的扁平電極包繞一根神經纖維，並允許最多8個通道向神經發送信號。

2014年，我們推出了最新版本的扁平電極。它擁有8個觸點，每個觸點都提供一個發送刺激的通道。目前，我們已經完成了幾例扁平電極植入手術。我們將扁平電極植入參加摘葡萄柄實驗的志願者斯派提克的中神經和尺神經——兩根手臂的主要神經。他的橈神經植入了傳統的圓形電極。這些電極提供了20個刺激通道：中神經和尺神經各有8個，橈神經有4個。

斯派提克第一次測試我們的系統時，我們不知道這些通道是否能模擬代表不同感覺的信號，或者模擬手的不同位置的信號。我們緊張地啟動了儀器，並刺激斯派提克的中神經。「哇！」他說，「感覺來自我的右手拇指尖。這是我失去右手以來第一次有來自右手的感覺。」他的話是對一個研究者畢生追求的最佳褒獎。

進一步的測試證明，我們的20個通道成功模擬了斯派提克右手19個部位的感覺，包括手掌左右邊緣、手背、手腕、拇指和指尖。

下一代電極提供的通道數目將提高4倍。通道越多，我們便能更精確地刺激小部分神經軸突，並提供更多的感覺。除了觸覺，我們還能製造其他感覺，比如熱覺、痛覺和肌肉運動直覺。儘管人們不喜歡痛覺，但是痛覺是重要的保護機制。在我們的實驗中，一個刺激通道確實產生了痛覺。接下來，我們會讓痛覺的產生更可靠。

目前，我們正在開發新的神經通道技術。斯派提克從2012年5月就植入了我們的電極系統，迄今為止，這套系統工作良好。當系統關閉時，他根本不覺得他身體中植入了什麼東西。

當然，產生基本感覺是一回事，通過這些基本感覺讓人產生更複雜的感受是另外一回事。打個比方：你能發出聲波，但是為了能夠讓聲波傳遞信息，聲波必須符合語言的模式。在第一次試驗中，我們用強度和周期固定的脈衝刺激神經。這種簡單周期性刺激導致了類似於針刺的痛感。我們只是在發出聲波，但還沒能說出語言。

簡單周期性電信號並不是神經系統正常模式庫的一部分，人類大腦只有處在在癲癇發作等異常狀態時才產生這種電信號。我們猜測，周期性電信號使得幾百個神經元同時被刺激，並發射信號，而大腦只能把這種非正常的信號解釋為刺痛。

第二次試驗，我們改變了電刺激的模式。我們改變刺激脈衝的周期，但產生的結果與第一次沒有什麼差別。可能的電刺激模式種類多的嚇人，搞清楚是什麼刺激模式能夠讓斯派提克產生什麼感覺，是一件極其燒錢和花費時間的事情。

為了加快進度，我決定檢測正常人的神經信號和感覺之間的對應關係。使用一套非侵入式神經刺激系統，我們團隊的一名成員將電極放在我的手指上，這樣電極可以刺激淺表神經。我讓學生使用不同模式的電信號刺激我。我發現，電刺激的強度按1赫茲正弦波變化，就可以獲得正常的觸感——就像什麼東西在擠壓我的手指。

我們在斯派提克身上測試了這種刺激模式。當系統啟動後，有一小會，他看上去有點迷惑，然後他用左手摸著脖子。「這次根本不是刺痛。這是一種擠壓的感覺，就像我把手放在我的脖子上那種感覺。」對系統進行微調後，他獲得了更加自然的觸感而不是擠壓感，「就像有人用手指輕點我的手掌。」

我們猜測，較弱電脈衝刺激的神經元較少，較強電脈衝刺激的神經元較多。改變針對不同神經元的刺激周期，就可以發出讓大腦理解為觸覺的信號。

我們正在努力尋找更多刺激信號模式和更多感覺之間的對應關係。目前，斯派提克已經能分辨出接觸物體的「質感」，比如充滿小鉤的尼龍搭扣接觸皮膚和砂紙接觸皮膚的不同感覺。他還能感到物體在他的皮膚表面移動、跳動和拍擊。此外，斯派提克已經能用假手控制精巧的物體，這在之前是不可想像的。隨著越來越多的感覺的獲得，他對他的假手充滿信心。

那麼，我們的研究如何造福更多的人？

我們與美敦力公司和勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室合作，正在開發一款可完全植入人體的神經刺激系統，並配以外形與人手更加相似的觸覺假手。該項目旨在3年內製成實用化系統，在5年合同的最後一年，進入臨床試驗階段。

作者團隊正在研發一款能完全植入人體的觸覺系統，並在五年內進入臨床測試階段

製造一款能夠產品化的複雜神經刺激系統是非常困難的。假手需要持續監測置於皮膚表面的數百個觸覺和位置感測器，並將信息傳給植入人體的刺激系統，然後，刺激系統發射對應模式的電刺激信號給手臂神經。同時，刺激系統將檢測用戶殘臂上的16塊肌肉，獲得用戶向手掌發送的神經信號，將神經信號轉換成電機驅動指令，發送給假手，從而讓假手能夠發生動作。

該系統將擁有96個感覺傳送通道和16個運動指令發送通道來完成感覺上傳和運動指令下傳功能。這些功能必須實時完成。

在改進系統時，我們試圖找出最佳的神經接觸點數目。如果我們採用3個扁平電極，每個擁有32個神經接觸點，我們就能有96個傳輸手部感覺的通道。那麼，要有多少傳輸手部感覺的通道，用戶才能察覺不出跟真手的差別呢？這些通道之間是相互獨立的嗎？它們之間會發生信號串擾嗎？

為了製成能獨立運行而非依賴體外電腦的系統，我們需要將處理器小型化，並將其置於假手中。此外，植入人體的電子部件必須足夠可靠，能在人體內長期運行，並且不需要在皮膚外面引出電源線供電。我們同樣需要建立植入手臂的處理器和假手中處理器的通信協議。

我們面臨著巨大的工程挑戰。但若我們獲得成功，這項感覺模擬技術會造福除了截肢者之外的更多人。感覺模擬技術將允許人們以之前從未有過的方式觸摸物體併產生感覺。比如，一個產科醫生用「手」感覺到胎兒的心跳，而不僅僅是依賴超聲多普勒成像。

比如，一個拆彈專家用「手」感覺到炸彈內部的電線，但實際上這個炸彈是被遠程控制的機器人觸摸；比如，一個地理學家用「手」感覺到石塊的重量和質地，儘管這塊石頭遠在數千千米之外；比如，一個銷售人員同客戶遠程親密握「手」。

如此多的美妙前景，將在下個10年成為現實。感覺能讓我們獲取自身和周圍世界的信息。利用技術拓展我們的感覺，我們將使人類的能力變得更強——即使這種變強只是體現在讓一個截肢者握住伴侶的手，感受和表達心中的愛意。

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