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為了測試這種感覺是否會使斯派蒂克對他的假手有更好的控制，我們把薄膜力傳感器放在了設備的食指、中指和拇指上，并利用來自這些傳感器的信號來觸發(fā)相應的神經(jīng)刺激。我們再次看著斯派蒂克抓起另一個櫻桃。這一次，他動作輕柔，在拔掉莖時絲毫沒有損壞水果。

在我們的試驗中，當觸覺系統(tǒng)開啟時，他完成這個任務的成功率為93%，而關閉觸覺系統(tǒng)時成功率只有43%。更重要的是，斯派蒂克報告說，他感覺就好像是自己抓著櫻桃，而不是利用工具來抓住它。他說，只要我們開啟刺激系統(tǒng)，“這就是我的手”。

最終，我們希望設計出一種與失去的手一樣功能強大的假肢。我們的目標是盡量使斯派蒂克忘記自己失去了一只手，哪怕只是瞬間忘記也好。眼下，我們的觸覺系統(tǒng)還處于早期階段，只能在實驗室中使用：斯派蒂克的手臂外側仍然有電線伸出，這些電線在試驗過程中被連接到我們的電腦上，使我們能夠控制刺激模式。不過，斷肢的人能夠在幾個星期的時間里用假肢感受到各種逼真的感覺，這還是第一次。現(xiàn)在，我們正在開發(fā)一個完全植入式系統(tǒng)，希望能夠在5年內(nèi)進行臨床試驗。

為假肢增加觸覺有什么用處呢？目前，裝有假肢的人通常只能利用假肢進行不需要精確動作的任務，如支撐和抓握。我們的觸覺系統(tǒng)所反饋的知覺將提高操控者的控制能力和信心，使假肢更好地應用于日常生活的許多小任務。

除此之外，我們希望恢復人類接觸感這一最基本的感官形式。想象一下失去觸覺的感受吧——觸覺能夠給予我們與他人相關聯(lián)的深刻感受。當我們詢問斯派蒂克和其他假肢佩戴者想要如何改進他們的機械假肢時，他們?nèi)颊f希望能夠握著心愛之人的手并真正感覺到它。我們的技術有一天會實現(xiàn)這個非常人性化的目標。 

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我的整個職業(yè)生涯都在研究人類與機器的結合。我在生物醫(yī)學工程和神經(jīng)工程的交叉學科方面的工作驅使我尋求一些基本問題的答案：電子電路如何以神經(jīng)系統(tǒng)能夠理解的方式與之對話？我們?nèi)绾卫眠@種方式來讓失去一只手的人恢復各種感覺？以及如何利用該技術來提升并豐富其他人的生活？

在過去的幾十年里，該領域取得了顯著的進展，包括開發(fā)出可以植入大腦或身體的更好的硬件，以及可以理解并模仿天然神經(jīng)編碼的更好的軟件。在天然神經(jīng)編碼方式中，神經(jīng)系統(tǒng)的電脈沖會在腦細胞之間或沿著整個身體內(nèi)的神經(jīng)元傳遞信息。這些信號會驅動身體的執(zhí)行器，如肌肉，并且以感覺、四肢定位、肌肉力量等形式提供反饋。

通過直接在肌肉中插入電極或將電極包圍在控制肌肉收縮的神經(jīng)周圍，我們可以向那些電極發(fā)送指令，基本復制與移動手、站起身或舉起腳等動作相關聯(lián)的信號。在美國退伍軍人事務部（Department of Veterans Affairs）和美國國防部高級研究計劃局（DARPA）的手本體感與觸摸接口（HAPTIX）項目的資助下，最近的工作旨在了解和恢復知覺系統(tǒng)。

我們的觸覺接口工作剛好包含在這兩個新項目中，但我們的工作重點是恢復失去的肢體與大腦間的感覺信號。設計這樣的接口是有難度的，因為它必須要對人的末梢神經(jīng)進行精確的刺激，而不損壞或以其他方式改變神經(jīng)。它也必須能夠在身體的苛刻環(huán)境中可靠地工作多年。

設計植入接口有幾種方法。創(chuàng)傷程度最小的方法是在目標神經(jīng)進入肌肉處的附近植入電極。這樣的系統(tǒng)已被用于脊髓損傷、中風以及其他形式的神經(jīng)損傷的功能恢復中。人體對電極的耐受力很好，并且手術替換也相對容易。不過，當電極需要激活肌肉時，它通常需要高達20毫安的電流，大約相當于你摩擦地毯時被“電”一下；即使這樣，肌肉也并不總是能被完全激活。

最具侵入性的方法是在神經(jīng)深處插入電極，將刺激觸點放置在與目標軸突——傳導電脈沖的神經(jīng)細胞——非常近的地方。這意味著所需的電流更少，而且可以選擇性地激活非常少的一部分軸突。但是，身體往往會排斥放置在神經(jīng)保護層內(nèi)的異物。在動物實驗中，一般的發(fā)炎過程常常會將這些電極推出神經(jīng)。

介于這兩種方法之間的，是環(huán)繞神經(jīng)的系統(tǒng)，即將電觸點放在神經(jīng)的表面上。只刺激一條神經(jīng)單一位置的簡單系統(tǒng)已經(jīng)商用化，用來治療癲癇，并幫助中風病人說話和吞咽。更復雜的、多通道版的系統(tǒng)已經(jīng)在臨床試驗中被可靠地使用了近10年，用于恢復脊髓損傷后的上肢和下肢功能。

90年代末期以來，我的團隊一直致力于這種環(huán)繞電極（也被稱為神經(jīng)套）的研究。我們早期解決的一個問題是，如何在不真正穿過神經(jīng)的情況下，增加對神經(jīng)的接觸。傳統(tǒng)電極套的表面積小，而且圓筒狀也不適合這項任務。因此，我們將神經(jīng)套扁平化，以便它能適應神經(jīng)的長方形橫截面。

2014年，我們推出了最新版本的扁平神經(jīng)套，它有8個接觸點，每個都連接到不同的刺激通道。到目前為止，我們已經(jīng)將八通道神經(jīng)套植入到很多受試者體內(nèi)。拿櫻桃的志愿者斯派蒂克的正中神經(jīng)和尺神經(jīng)周圍放置了扁平電極套，這是手臂上3條主要神經(jīng)中的2條。他的橈神經(jīng)周圍放置了一個傳統(tǒng)的圓形電極。這就在他的前臂上提供了總共20個刺激通道：正中神經(jīng)和尺神經(jīng)各有8個，橈神經(jīng)有4個。

當斯派蒂克第一次測試我們的系統(tǒng)時，我們并不知道這些通道是否真的會被轉化為不同的感覺或不同的位置。我們忐忑地開啟了系統(tǒng)，激活了斯派蒂克正中神經(jīng)上的一個接觸點。他說：“哇！這是我的拇指尖。這是我自受傷以來第一次感覺到了我的手。”這就是研究者翹首以盼的時刻。

進一步的測試顯示，我們的20個刺激點讓斯派蒂克斷手上的19個位置產(chǎn)生了知覺，其中包括他的手掌、手背、手腕、拇指和指尖的左右兩側。

我們的下一代神經(jīng)套會將接觸點的數(shù)量增加3倍。通道越多，我們就越能有選擇性地訪問少量的軸突，并提供更有用的知覺。除了觸覺，我們希望制造溫度、關節(jié)定位（被稱為本體），甚至是疼痛的感覺。盡管疼痛有負面內(nèi)涵，但它是一種重要的保護機制。在我們的測試中，一個刺激通道確實引起了疼痛感。最終，我們希望包括這樣的保護機制。

現(xiàn)在，我們正在探索其他通道，并繼續(xù)與斯派蒂克合作。他自2012年5月就植入了系統(tǒng)，現(xiàn)在仍然運作良好。他說，當系統(tǒng)關閉時，他甚至意識不到他的身體里有植入物。 

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當然，觸發(fā)基本的感覺是一回事；控制這種感覺又是另一回事。它類似于說話：你需要發(fā)出聲音，但這種聲音必須以特定的模式發(fā)出并作為語言被解讀出來，才能讓人理解。在我們的第一次實驗中，我們用規(guī)律的脈沖以恒定的強度刺激神經(jīng)。這種有規(guī)律的刺激會產(chǎn)生一種刺痛感，被稱為皮膚感覺異常——就是腳麻的針刺感。因此我們制造的是聲音，而不是話語。

當神經(jīng)系統(tǒng)運作正常時，這類規(guī)律的電脈沖并不是神經(jīng)系統(tǒng)的合理指令：只有在癲癇發(fā)作等不正常的活動期間，我們才觀察到了這類脈沖。我們認為，這種刺激會導致幾百個神經(jīng)元同時作用，形成被大腦解釋為刺痛感的不尋常信號。

在隨后的實驗中，我們改變了經(jīng)神經(jīng)通向大腦的電脈沖模式。我們試著改變脈沖的時間以及脈沖對的序列。這些測試都沒有什么顯著效果。因為變量太多，要想了解脈沖模式的改變會如何影響斯派蒂克的感覺是困難且耗時的。

為了推進實驗，我最后開始在自己身上測試多個模式。利用一種臨床的、非侵入性的神經(jīng)刺激系統(tǒng)，一名小組成員將電極放在我的手指上，激活表層神經(jīng)。然后，我讓我的學生用各種模式來“電”我。我們發(fā)現(xiàn)，以波浪的模式改變脈沖強度，以1秒鐘為周期先增加再降低強度，刺痛感會轉變?yōu)楦匀坏膲毫Ω小秃孟裼惺裁礀|西在擠壓我的手指。

之后，我們就準備好在斯派蒂克身上實驗這種模式了。隨著刺激的開始，他疑惑了一會兒，然后他把自身的手指放在了脖子上。他說：“我不覺得刺痛了。這是一種脈沖壓力，就像我把手指放在脖子上感受到的脈搏一樣。”通過一點點調整，我們消除了脈沖，他報告說，感覺到了自然的觸感，“就像有人用手指碰我的手”。

我們認為，脈沖越弱，激活的神經(jīng)元就越少，而較強的脈沖會使更多的神經(jīng)元被激活。不同神經(jīng)元激活率的變化是大腦能夠理解的神經(jīng)編碼的一部分。如果我們應用的模式類似于大腦已知的模式，它就會根據(jù)其經(jīng)驗解釋感覺：實際上，大腦會說，好，這就是觸摸。

我們現(xiàn)在正在研究更為復雜的模式是如何產(chǎn)生更細致的知覺的。到目前為止，斯派蒂克報告過像維可牢尼龍搭扣和砂紙的紋理感，以及物體移動、擺動和拍打皮膚的感覺。更重要的是，斯派蒂克能夠以精確的方式操縱物體，這是之前他無法做到的。他不再需要僅僅依賴視覺來判斷假肢的操作情況了。而相比于沒有觸覺系統(tǒng)的存在時，他使用假肢更有信心了。 

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那么，這些知識將如何幫助別人呢？我們與美敦力公司以及勞倫斯?利弗莫爾國家實驗室的合作伙伴開展合作，制造出了配有先進的擬人化觸覺假肢的完全植入式刺激系統(tǒng)。該項目旨在3年內(nèi)制造出可用的裝置，以便在我們5年合同的最后一年進行臨床試驗。

要制造一個在實驗室外工作的復雜神經(jīng)刺激裝置并不容易。假肢需要持續(xù)監(jiān)視其內(nèi)部數(shù)百個觸覺和定位傳感器，并將這一信息反饋到植入刺激器中，然后刺激器必須把這些數(shù)據(jù)轉換成神經(jīng)代碼，應用在手臂的神經(jīng)上。同時，通過記錄殘肢上最多16塊肌肉的活動，我們的系統(tǒng)將確定使用者移動假肢的意圖。這一信息將被解碼，無線發(fā)送到身體之外，并轉換為電機驅動指令移動假肢。總體上，系統(tǒng)將有96個刺激通道和16個記錄通道，這些通道需要進行協(xié)調以產(chǎn)生動作和感覺。而這一切活動都必須在最低時延內(nèi)完成。

在完善我們的系統(tǒng)時，我們也在努力探尋最佳的接觸點數(shù)量。例如，假設我們用3個扁平狀的電極套，每個有32個接觸點，那么我們就可以在整只手上提供96個接觸點。要想讓使用者具有最佳的功能和感覺，需要多少通道呢？這些通道之間的信息如何協(xié)調并解讀呢？

要制造一臺不依賴外部計算機的獨立設備，我們需要能插入假肢的微型處理器，以此來與植入物通信，并向電極套發(fā)送刺激。植入的電子設備必須足夠強健，能在人體內(nèi)支撐數(shù)年，并且必須內(nèi)部供電，無須電線伸出皮膚。我們還需要制定假肢和植入處理器之間的通信協(xié)議。

這是一項艱巨的工程挑戰(zhàn)，但是當我們?nèi)〉贸晒r，這種觸覺技術將不僅造福于假肢使用者，這樣的接口還可以讓人們以前所未有的方式觸摸物品。想象一下，一名產(chǎn)科醫(yī)生能夠感覺胎兒的心跳，而不是僅僅依靠多普勒成像。想象一下，一名拆彈專家可感觸到炸彈內(nèi)的導線，而實際上這個動作是由一個遙控機器人所執(zhí)行的。想象一下，一個地質學家能感知幾千公里以外的巖石的重量和質感；一名銷售人員可以遠程與一個新客戶握手。

這樣的情景在未來10年內(nèi)可能會成為現(xiàn)實。感覺告訴我們，什么是我們身體的一部分，什么不是。通過將感覺擴展到機器，我們將擴展人類的觸覺——即使那種觸覺只是像牽著心上人之手那么單純。

作者： Dustin J. Tyler