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Igor Spetic（右）在一次工業(yè)事故中失去了自己的右手。他與Dustin J. Tyler（左）共同開發(fā)了試驗性假肢系統(tǒng)，可以讓自己重新獲得失去的感覺。圖片來源：Mike McGregor。
Igor Spetic是本文的主人公，也是我們克利夫蘭退伍軍人醫(yī)療中心研究團隊的志愿者?，F(xiàn)在他正戴著眼罩和降噪耳機用自己的左手摸索著從面前的碗里拿出一串櫻桃。這是在做游戲嗎？不是，這是在做測試，因為Igor Spetic的右手已經(jīng)在一次事故中離他而去了。
過去幾年，他一直在使用我們團隊開發(fā)的肌電假肢，而真正控制他“右手”的是右臂上肌肉的伸縮。從傳統(tǒng)意義上來說，普通假肢對截肢患者的裝飾意義大于實用意義，在這項測試中，用傳統(tǒng)假肢拿取的櫻桃確實非常容易被擠爆。
隨后，我們?yōu)樗麚Q上肌電假肢并啟動了功能性神經(jīng)接口實驗室專門研發(fā)的觸覺系統(tǒng)。此前，我們團隊的外科醫(yī)生Anderson和Keith就在他的右前臂中植入了電極，并通過20個觸點連接了3條主要的神經(jīng)。這樣一來，通過對不同神經(jīng)上不同觸點的刺激，就能讓Spetic產生真實的感覺。
為了測試這種“鬼影手”般的觸感是否能讓Spetic更好的控制假肢，我們將薄膜壓力傳感器植入了設備中并用傳感器收集到的型號來刺激相應的神經(jīng)。這樣一來，假肢捏櫻桃的力度就小了許多，Spetic順利的將櫻桃梗摘了下來。
在我們的一系列測試中，當觸覺系統(tǒng)開啟時，Spetic順利完成了93%的任務，但如果該系統(tǒng)關閉，他在做任務時成功率連一半都不到。此外，據(jù)Spetic反映，開啟觸覺系統(tǒng)時他好像有了真手，假肢不再像是簡單的工具了。每當我們開啟系統(tǒng)，Spetic就會說：“我的右手回來了?！?/strong>
圖片來源：Mike McGregor。
未來，我們希望能將假肢打造的與人手一樣靈活。不過，眼下我們的目標是讓Spetic忘掉自己已經(jīng)沒了右手。現(xiàn)在，我們的觸覺系統(tǒng)還處在初級階段，而且只能在實驗室中完成任務。在測試中，Spetic完成任務時胳膊上還需要插各種線纜，因為我們需要通過電腦來控制神經(jīng)的刺激。即便如此，這款觸覺系統(tǒng)也是有史以來第一次讓截肢患者產生真實的感覺。眼下，我們正在開發(fā)一款能完全植入人體的系統(tǒng)，并希望在五年內能開始進行臨床試驗。
那么擁有了觸感的假肢到底能有多大能耐呢？眾所周知，現(xiàn)在市售的假肢戴上后只能完成一些不需要精確度的工作，如支撐身體平衡。如果為假肢加入觸覺系統(tǒng)，截肢患者在控制肢體方面的自信就會大大增強，利用假肢，他們就能完車生活中一些較為簡單的任務。
除了上面提到的用途，我們還希望假肢能在人際交往間發(fā)揮更大的作用。觸覺在建立人與人之間感情方面有很大的作用，少了這一能力，人們會感覺很失落。當我們詢問許多截肢患者時，他們均表示希望能用假肢握住自己愛人的手、感受到對方手心的溫度。未來，我們的技術將幫他們完成這一夢想。
在解決人類與機械的融合問題上，我已經(jīng)努力了幾十年。在生物醫(yī)學工程和神經(jīng)工程方面的豐富經(jīng)驗也讓我一直在思考一個看似簡單的問題：怎樣才能讓電子電路與神經(jīng)系統(tǒng)無障礙交流呢？如果我們找到了解決辦法，又如何將這些感覺信號傳輸給截肢患者呢？此外，除了解放截肢患者，這項技術還能在哪些方面提高普通人的生活質量呢？
在過去的幾十年中，我們在該領域有了非常大的突破，包括能植入人類大腦和身體的硬件，與能理解和模擬自然神經(jīng)編碼。在這些編碼里，神經(jīng)系統(tǒng)中的電子脈沖可以在腦細胞和遍布全身的神經(jīng)元中傳遞信息。這些信號成了身體的驅動器，它們產生的反饋就變成了截肢患者的感覺。此外，信號還可以控制肢體的位置和肌肉力量等。
將電荷植入肌肉或神經(jīng)附近后，我們就可以通過發(fā)送信號控制電荷來指揮肌肉收縮了。最近，我們則在關注如何理解并修復患者的敏感度系統(tǒng)。
一張X光片讓我們看到了Spetic前臂中通過手術植入的電極，以及上臂中連接到外部電腦的電線。圖片來源：Tyler Lab/The Cleveland VA Medical Center。
在觸覺感知接口方面，我們主要致力于連接斷肢和大腦。不過其過程非常之艱難，因為在刺激方面我們要力求精確，而且還不能損壞或改變相關神經(jīng)。要想完全成功，恐怕還需一段時日。
要打造植入界面就稍微簡單些，因為我們的可選方式很多。對人體傷害最小的就是將電荷植入神經(jīng)附近的肌肉。該方法在醫(yī)學界已經(jīng)開始了廣泛使用，它對脊椎損傷、中風和其他形式的神經(jīng)損傷都有一定的療效。另外，此種方法下，人體對電荷的排異反應小，而且電荷的更換也非常簡單。不過在執(zhí)行任務時它需要的電量稍大，有時刺激效果不好。
除了將電荷植入肌肉，我們還可以將其放入神經(jīng)和目標軸突附近，而這里是神經(jīng)元處理電子脈沖的核心區(qū)域，這就意味著完成刺激任務需要的電量很小，而且我們可以有選擇性的刺激某些軸突。不過它也有副作用，那就是身體會對電荷產生較強的排異反應，有時會直接將它們排出神經(jīng)外。
手的2D繪圖：James Provost。3D繪圖： Illustration: Bryan Christie Design。
恢復觸覺：為了讓截肢患者重獲觸覺，凱斯西儲大學的研究者通過手術將電荷植入了患者的正中神經(jīng)、橈神經(jīng)和尺骨神經(jīng)中。這次他們用了扁平型的袖口，這種新型產品比傳統(tǒng)的環(huán)形袖口更有效，因為這樣電子信號更容易傳導至神經(jīng)中。當精確的電子脈沖傳入電荷，患者手心和手背的特定部位就會有感覺，他們甚至能感覺到不同的質地。雖然這套實驗性系統(tǒng)暫時還需要外置電腦幫忙，但研發(fā)人員未來會將控制器無線化，這樣就可以方便的控制假肢了。
在這兩種方法中，較為簡單的肌肉植入法只能刺激某條神經(jīng)上的一點，因此它可用于癲癇病的治療或幫助中風病人說話和吞咽。而較為復雜的神經(jīng)軸突植入法，則主要用于治療脊柱損傷。
從20世紀90年代末開始，我們的團隊就一直在開發(fā)此類環(huán)繞式電荷，也就是我們所說的神經(jīng)袖口。在研發(fā)中心我們遇到過許多問題，如何在不穿透神經(jīng)的情況下與其進行交互就成了難題之一。神經(jīng)接觸面較小，傳統(tǒng)的環(huán)形電荷袖口無法完成這一任務。因此我們將神經(jīng)袖口拍扁，讓其能與神經(jīng)進行充分的“親密接觸”。
這些平整電極包圍一條神經(jīng)，信號可以通過8個渠道發(fā)送。圖片來源Tyler Lab/The Cleveland VA Medical Center
2014年，我們發(fā)布了最新的扁平型袖口，它內建8個接觸點，每個觸點都會負責一種刺激?，F(xiàn)在，這種8通道的袖口已經(jīng)開始了試驗，我們前面提到的Spetic，就在自己的正中神經(jīng)和尺骨神經(jīng)植入了這種袖口，不過另一個主要神經(jīng)橈神經(jīng)則依然使用的是傳統(tǒng)的環(huán)形電荷袖口。裝上了這些設備后，Spetic的前臂就有了20個刺激通道。
Spetic第一次進行測試時，我們完全不知道不同的通道產生的刺激在感覺和方位上有差別。我們只是緊張的打開設備，并激活了他正中神經(jīng)上的一個觸點。“哇，”他馬上尖叫了起來，“我大拇指有感覺了，這是我受傷后第一次啊！”同時，這一時刻也讓我們整個團隊感到歡欣鼓舞。
經(jīng)過后續(xù)的測試，我們發(fā)現(xiàn)這20個刺激點居然能讓Spetic的“鬼影手”上19處都起了反應，其中包括手心手背、手腕和大拇指等。
下一步，我們袖口上的觸點將增加到現(xiàn)有的4倍。刺激通道的增多，讓我們能有選擇的連接更多小型的軸突，這樣患者的感覺就會變得更豐富。除了觸覺，我們未來還想讓他們能體驗到溫度、關節(jié)位置、肌肉直覺甚至疼痛感。雖說疼痛這個詞有些貶義，但它確實一種重要的保護機制。在測試中，一條刺激通道就觸發(fā)過疼痛感。
眼下，我們還在繼續(xù)開發(fā)新的刺激通道，而2012年5月就植入Spetic體內的系統(tǒng)依然運行良好，Spetic稱當系統(tǒng)關閉后，他完全感覺不到這些電荷的存在。
從技術角度來說，觸發(fā)出患者的感覺是一回事，但如何控制這種感覺又是另一回事。整個過程就像說話，你需要發(fā)出聲音，但要想讓他人理解，你就要用語言將其道出。在第一次實驗中，我們就發(fā)生錯誤，造成Spetic感覺異常，當時我們發(fā)出的就只是“聲音”，而不是“語言”。
擁有觸覺意味著，Spetic要知道假肢運作如何，不再只能依靠視覺信息。圖片來源：Mike McGregor。
在第二次測試中，我們更換了電子脈沖的模式，將刺激信號放進了大腦，不過這次測試結果依然不容樂觀。由于可選項太多，我們還是沒有找到正確的刺激模式。
為了加快測試的進度，我甚至都開始在自己身上做實驗了。由于我雙手健在，所以團隊成員在我的手指上裝了電荷，這樣就可以刺激我的淺表神經(jīng)了。實驗開始后，我們發(fā)現(xiàn)間隔性的改變脈沖強度可以讓我的手指感覺到壓力——就好像有人在擠壓我的手指。
在我身上試驗成功后，團隊開始在Spetic身上進行測試。刺激剛剛開始時，他顯得有些迷茫，不過隨后他就稱自己感覺到了壓力，就好像將手指放在頸動脈上一樣。經(jīng)過微調后，我們換了一種刺激方法，Spetic這次感覺到了溫柔的撫摸，“就像某人將手指放在我手上一樣?！?/span>
經(jīng)過研究，我們發(fā)現(xiàn)較弱的脈沖激活的神經(jīng)元較少，而較強的脈沖則能激活更多神經(jīng)元。此外，激活神經(jīng)元數(shù)量的多少也是由大腦中神經(jīng)編碼控制的，如果我們的刺激方式與神經(jīng)編碼同步，患者就能感受到觸感。
掌握了簡單的神經(jīng)編碼后，我們正努力探尋更為復雜刺激方式，以便讓患者能獲得更加微妙的觸感。眼下，Spetic已經(jīng)可以感覺到事物的紋理，他可以區(qū)分魔術貼和砂紙，而且能感覺到物體的移動和振抖，此外他還能感覺到別人的觸摸。現(xiàn)在，Spetic使用假肢時變得更自信了。
眼下我們正聯(lián)合其他實驗室共同打造一套植入式的刺激系統(tǒng)，只需帶上專門打造的擬人化觸感假肢，就能完成許多簡單任務。預計該項目3年之內就能完成，5年就能開始臨床測試。
主人與我：目前，完全可移植的觸覺系統(tǒng)還在開發(fā)中，將在5年內可用于臨床試驗。圖片來源：Mike McGregor。
打造一個能帶出實驗室的復雜神經(jīng)刺激設備可不容易。假肢需要持續(xù)監(jiān)控數(shù)百個觸覺和位置傳感器，并實時將數(shù)據(jù)回傳給刺激器，隨后，這些數(shù)據(jù)就會被轉譯成神經(jīng)編碼傳給神經(jīng)。與此同時，我們的系統(tǒng)還將通過記錄殘肢上16塊肌肉的運動習慣來推測用戶的意圖。這些數(shù)據(jù)也將被編碼并回傳給身體產生刺激信號來驅動假肢?？偟膩碚f，該系統(tǒng)最終會擁有96個刺激通道和16個記錄通道，此外，我們還要最大限度的減少刺激的延遲。
在系統(tǒng)的改進過程中，我們試圖找到觸點的最佳數(shù)值。如果我們使用3個扁平電荷袖口（每個有32個觸點），我們就能在手上創(chuàng)造96個觸點。那么我們到底需要多少刺激通道呢？經(jīng)過這些通道的信息又如何來調整和轉譯呢？
想要打造一個無需外置電腦的獨立設備，我們需要在假肢中植入微型處理器，并讓其肩負起給電荷袖口發(fā)刺激信號的任務。此外，這些電荷也必須堅固耐用，能在人體內長時間工作。
這絕對是一個令人望而卻步的工程挑戰(zhàn)，不過如果我們成功了，這項觸覺技術就將影響全世界。不光截肢患者，普通人也能獲得全新的觸感，醫(yī)生可以通過手直接感知嬰兒的心跳，而掃雷專家則摸摸線就能知道到底該剪哪根了。
如果一切順利，這種設想在未來十年內就能成真。感覺能幫我們分清彼此，如果將這種能力教給機器，就能擴展人的控制范圍。當然，許多人的真正愿望其實很簡單，那就是再次感受到愛人手心的溫度。
via IEEE Spectrum
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