Science：通过脑-机接口唤起触觉，让一名瘫痪17年的人改善对机械臂的控制

2021年5月23日讯/生物谷BIOON/---大多数身体健全的人认为他们执行简单日常任务的能力是理所当然的---当他们伸手去拿一杯热咖啡时，他们可以感觉到它的重量和温度，并相应地调整他们的握力，以便没有液体溢出。对手臂和手有充分感觉和运动控制的人，在触摸或抓住物体的瞬间就能感觉到他们已经接触到物体，使他们能够自信地开始移动或提起物体。但是，当一个人操作假肢时，这些任务就会变得更加困难，更不用说用意念控制的假肢了。

在一项新的研究中，来自美国匹兹堡大学等研究机构的研究人员描述了如何通过增加大脑刺激来唤起触觉，从而使操作者更容易操纵大脑控制的机械臂。在实验中，用人工触觉补充视觉，将抓取和转移物体的时间减少了一半，从中位时间20.9秒减少到10.2秒。相关研究结果发表在2021年5月21日的Science期刊上，论文标题为“A brain-computer interface that evokes tactile sensations improves robotic arm control”。

这些作者表示，从某种意义上说，这就是他们希望发生的事情，但也许没有达到他们在正常人群中观察到的程度。来自四肢和双手的感觉反馈对于人们在日常生活中做正常的事情是非常重要的，当这种反馈缺乏时，人们的表现就会受到影响。

研究参与者Nathan Copeland是世界上第一个不仅在他的大脑运动皮层，而且也在他的躯体感觉皮层（somatosensory cortex）中植入微小电极阵列的人，其中躯体感觉皮层是大脑中处理身体感觉信息的区域。电极阵列使他不仅能用意念控制机械臂，还能接收触觉反馈，这与人体的脊髓完好无损时的神经回路运作方式相似。

Copeland表示，他对刺激产生的感觉和在没有刺激的情况下执行任务都已经非常熟悉；尽管这种感觉并不自然，但是它感觉像是压力和轻微的刺痛，不过这从来没有困扰过他。

双向BCI系统概述，图片来自Science, 2021, doi:10.1126/science.abd0380。

在一场车祸导致他的手臂使用受限后，瘫痪了17年的Copeland参加了一项临床试验，旨在测试感觉运动微电极脑-机接口(BCI)，并植入了由贝莱德微系统公司(Blackrock Microsystems)开发的四个微电极阵列，通常也被称为犹他阵列（Utah arrays）。

这篇论文是在早期研究---首次描述了使用微小的电脉冲刺激大脑的感觉区域以唤起人们的手的不同区域的感觉，即使他们因脊髓损伤而失去肢体感觉---的基础上迈出的重要一步。在这项新的研究中，这些作者将从大脑读取信息来控制机械臂的运动与将信息写回去提供感觉反馈结合起来。

在一系列测试中，BCI操作员（即Copeland）被要求从桌子上拿起各种物体并将它们转移到一个升高的平台上，与没有刺激的测试相比，通过电刺激提供触觉反馈使这名参与者完成任务的速度提高了两倍。

在这篇新论文中，这些作者希望在尽可能接近真实世界的条件下测试感觉反馈的效果。他们并不想通过去除感知的视觉成分来限制任务。即使是恢复有限和不完美的感觉，Copeland的表现有相当大的改善。在使感觉更加真实和将这种技术带入人们的家庭方面，科学家们仍有很长的路要走，但人们越是接近重现大脑的正常输入，人们的生活会变得越好。（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Sharlene N. Flesher et al. A brain-computer interface that evokes tactile sensations improves robotic arm control. Science, 2021, doi:10.1126/science.abd0380.

A. Aldo Faisal. Putting touch into action. Science, 2021, doi:10.1126/science.abi7262.