IgorSpetic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(tuán)隊的志愿者?，F(xiàn)在他正戴著眼罩和降噪耳機(jī)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IgorSpetic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(tuán)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(tuán)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(chǎn)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(shè)備中并用傳感器收集到的型號來刺激相應(yīng)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(dāng)觸覺系統(tǒng)開啟時，Spetic順利完成了93%的任務(wù)，但如果該系統(tǒng)關(guān)閉，他在做任務(wù)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(dāng)我們開啟系統(tǒng)，Spetic就會說：“我的右手回來了。”

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(biāo)是讓Spetic忘掉自己已經(jīng)沒了右手?，F(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(wù)。在測試中，Spetic完成任務(wù)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(chǎn)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(nèi)能開始進(jìn)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(qiáng)，利用假肢，他們就能完成生活中一些較為簡單的任務(wù)。

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(dāng)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(shù)將幫他們完成這一夢想。

在解決人類與機(jī)械的融合問題上，我已經(jīng)努力了幾十年。在生物醫(yī)學(xué)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(shù)還能在哪些方面提高普通人的生活質(zhì)量呢？

在過去的幾十年中，我們在該領(lǐng)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(xì)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(qū)動器，它們產(chǎn)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(guān)注如何理解并修復(fù)患者的敏感度系統(tǒng)。

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(guān)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(xué)界已經(jīng)開始了廣泛使用，它對脊椎損傷、中風(fēng)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(yīng)小，而且電荷的更換也非常簡單。不過在執(zhí)行任務(wù)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(biāo)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(wù)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(chǎn)生較強(qiáng)的排異反應(yīng)，有時會直接將它們排出神經(jīng)外。

恢復(fù)觸覺：為了讓截肢患者重獲觸覺，凱斯西儲大學(xué)的研究者通過手術(shù)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(chǎn)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(dǎo)至神經(jīng)中。當(dāng)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(zhì)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(fēng)病人說話和吞咽。而較為復(fù)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(jì)90年代末開始，我們的團(tuán)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(jìn)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(wù)。因此我們將神經(jīng)袖口拍扁，讓其能與神經(jīng)進(jìn)行充分的“親密接觸”。

2014年，我們發(fā)布了最新的扁平型袖口，它內(nèi)建8個接觸點，每個觸點都會負(fù)責(zé)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(shè)備后，Spetic的前臂就有了20個刺激通道。

Spetic第一次進(jìn)行測試時，我們完全不知道不同的通道產(chǎn)生的刺激在感覺和方位上有差別。我們只是緊張的打開設(shè)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?。?rdquo;同時，這一時刻也讓我們整個團(tuán)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(yīng)，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(guān)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(hù)機(jī)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(nèi)的系統(tǒng)依然運行良好，Spetic稱當(dāng)系統(tǒng)關(guān)閉后，他完全感覺不到這些電荷的存在。

從技術(shù)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(dāng)時我們發(fā)出的就只是“聲音”，而不是“語言”。

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(jìn)了大腦，不過這次測試結(jié)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(jìn)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(tuán)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(qiáng)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(tuán)隊開始在Spetic身上進(jìn)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(diào)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。”

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(qiáng)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(fù)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(shù)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?，F(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(wù)。預(yù)計該項目3年之內(nèi)就能完成，5年就能開始臨床測試。

打造一個能帶出實驗室的復(fù)雜神經(jīng)刺激設(shè)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(zhuǎn)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(xí)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(chǎn)生刺激信號來驅(qū)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(jìn)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(diào)整和轉(zhuǎn)譯呢？

想要打造一個無需外置電腦的獨立設(shè)備，我們需要在假肢中植入微型處理器，并讓其肩負(fù)起給電荷袖口發(fā)刺激信號的任務(wù)。此外，這些電荷也必須堅固耐用，能在人體內(nèi)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(shù)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(shè)想在未來十年內(nèi)就能成真。感覺能幫我們分清彼此，如果將這種能力教給機(jī)器，就能擴(kuò)展人的控制范圍。當(dāng)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。 

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