文 | 追問nextquestion
現實生活中，觸覺不僅僅是感覺的一部分，更是與世界建立聯系的橋梁。無論是腳下細軟的沙灘，還是手中凝結着水珠的玻璃杯，觸覺讓我們感受到生活的質地與溫度。對于那些由于神經系統受損而失去這種能力的人來說，重建立立這種聯系似乎是一個遙不可及的夢想。然而，随着科技的不斷進步，這個夢想正逐漸變為現實。
01 仿生電刺激的革命
早在十八世紀，就有記載稱英國醫生使用摩擦靜電來刺激病人大腦，聲稱能夠激發患者的興奮感并改善其精神狀态。近年來，“更新版”的電刺激法已經成為恢複殘障人士士部分感覺運動功能的一個重要手段。這種方法利用微小的植入式電極來刺激神經系統，嘗試建立假肢與大腦之間的直接交流(Raspopovic, Valle and Petrini)。盡管如此，與人類自然手的靈活性和觸覺相比，目前技術仍然有很大的差距(Johansson and Flanagan)。主要的挑戰在于，該如何通過電刺激喚起直覺且自然的感覺，進而讓殘障人士更好地與外界物體互動？
▷圖 1：電刺激的今昔對比。圖源：https://www.nsmedicaldevices.com/analysis/brain-stimulation-therapy-history/（左）；https://www.eurekalert.org/multimedia/871164 （右）。
02 仿生神經刺激的突破
《自然》雜志上一篇開創性的論文為這一挑戰提供了解決方案(Valle et al.)。研究團隊開發了一個以仿生方法為核心的神經假體架構。這個架構的核心是一個叫做FootSim的仿生神經刺激模型，它能夠模拟人類足底的觸覺感受，包括壓力和觸感的細微變化。觸碰足底的某個特定位置時，FootSim就能輸出相應的神經激活反應。研究者通過FootSim設計出了各種仿生神經刺激政策。例如，他們可以設定模拟行走情景的壓力分布，然後觀察這種分布對足底觸覺神經的激活效果。那麼，這種仿生神經刺激政策到底自不自然呢？
▷Valle, Giacomo, et al. "Biomimetic computer-to-brain communication enhancing naturalistic touch sensations via peripheral nerve stimulation." Nature Communications 15.1 (2024): 1151.
03 仿生神經刺激在動物中的測試
為了探讨自然性的問題，研究的一個關鍵部分是以貓為實驗對象，探索電刺激模拟自然神經活動的可能性。實驗中，兩隻貓被去大腦化，以便分析僅限于反射響應的神經活動，同時避免了自主運動可能引起的信号幹擾。通過在胫神經（tibial nerve）上植入電極進行電刺激，研究者能夠調節刺激強度，使其略高于引起脊髓潛在反應的門檻值。通過這種設定，研究者觀察并記錄了在脊髓和背根神經節（dorsal root ganglia）中的神經反應。
實驗結果表明，與強直電刺激相比，使用仿生模式的刺激産生的神經動态與通過實體接觸（如用棉花棒觸摸貓的腿）産生的自然神經活動更為相似。而使用正常的50赫茲模式的非自然刺激則産生了不同的神經動态。這一發現驗證了團隊的假設，仿生刺激的确能夠更準确地模拟和複制自然神經活動。
這項動物實驗具有重要意義，它證明了電刺激能夠作為一種有效的工具生成與自然觸覺感覺相似的人工神經激活模式，并且這些模式可以有效地傳遞到感覺神經系統的上遊區域。但是，如果将這種仿生刺激應用到人類身上，結果會如何呢？
04 仿生神經刺激在截肢患者中的應用
進一步的臨床試驗在三名坐骨（sciatic nerve）截肢患者上進行，通過植入電極直接刺激下肢的周圍神經。當三名參與者受到仿生電刺激時，他們的自然度評估（0表示完全不自然，5表示完全自然，如皮膚凹陷時的感覺）均值在3左右，而受到傳統的線性或正弦（非自然）電刺激時自然度則降為1左右。這一結果不僅驗證了仿生神經刺激編碼的有效性，還顯示出它比傳統非仿生刺激方法産生的感覺更自然。
研究進而探讨了将仿生神經刺激應用于實時神經假肢系統的效果。這個系統包括感應鞋墊、基于微處理器的膝蓋假肢等，能夠将穿戴者行走時的壓力資訊轉換為仿生神經刺激模式。結果表明，與傳統神經刺激方法相比，該系統不僅提升了患者的步行速度，還增強了患者上樓梯時的自信，并在執行雙重任務時減輕了心理負擔。
▷圖2：開發一個模仿人體感覺的神經假體的三個關鍵步驟：首先，使用腳底仿生刺激模型來模拟神經系統是如何處理觸覺的。然後，通過在動物身上進行實驗來測試這些仿生刺激是否與自然刺激相似。最後，将這種仿生刺激技術植入人體，并在真實的生活環境中測試它的效果。圖源：原始論文。
05 仿生神經刺激的未來
這項研究不僅展示了仿生神經刺激在恢複和增強觸覺感覺方面的巨大潛力，還突顯了其在促進人與機器之間更自然互動的可能性。通過模拟自然觸覺的複雜性，研究為那些失去自然感覺能力的人提供了一線希望，展望了一個能夠通過先進技術重建、甚至增強人類感官體驗的未來。
随着仿生技術的不斷發展和完善，我們可以期待更多針對不同感官失能的解決方案出現，不僅僅限于觸覺。這些技術的發展将極大地提升殘障人士士的生活品質，使他們能夠更自信、更獨立地參與到社會生活中。這些進步預示着一個在人機互動、神經科學和康複醫學等多個領域都将實作重大突破的未來。随着這些技術的成熟和普及，我們有望見證一個更加包容、更有同情心的社會，其中每個人都能充分地體驗和享受生活的每一個觸覺瞬間。
參考文獻：
- 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.