假肢将有感觉

时间：2022-03-12 理论教育版权反馈

【摘要】：58岁的哈钦森的表演，向我们展示了脑控假肢目前正在取得的进展。然而，哈钦森必须全神贯注地紧盯着瓶子，这表明目前的假肢技术依然缺失一项至关重要的功能。斯帕蒂克的右手在2010年的一次工伤事故中被严重压伤，随后他装了假手。目前，假肢技术的研究人员正努力使假肢具有接近真实器官的感觉功能，从而让斯蒂帕克的愿望得以实现。传统的假肢并不是没有反馈机制。重建“真实”的感觉绝非易事。

假肢已经变得越来越复杂，越来越高级。眼下它迫切需要的就是触觉。

撰文罗伯塔·克沃克（Roberta Kwok）^[1] 翻译郭凯声

因中风而导致颈部以下全身瘫痪的凯茜·哈钦森（Cathy Hutchinson）一动不动地坐在轮椅上，似乎一点也不在意那根从她头顶冒出来的电线。相反，她专心致志地紧盯着面前桌子上的一个插着吸管的水瓶。她全神贯注地凝视着瓶子，一点也不敢疏忽，因为她正通过精神活动，指引旁边的一只机械手越过桌面，让机械手的夹子把瓶子夹紧，然后慢慢地提起水瓶凑近嘴唇。最后，她终于从瓶子中吸到了一口饮料，只有到这时她的表情才放松下来，绽放出灿烂的笑容。

58岁的哈钦森的表演，向我们展示了脑控假肢目前正在取得的进展。过去15年来，研究人员已经证明，老鼠可以让机械手推动杠杆，猴子可以玩电视游戏，而四肢瘫痪的患者（如哈钦森）则可从瓶中呷吸咖啡。所有这些动作，全都只须通过在心里思考该做什么动作即可完成。假肢研制方面所取得的进步也同样惊人，目前假肢装置已能够使单根手指运动，并有二十几处关节能够弯曲。

然而，哈钦森必须全神贯注地紧盯着瓶子，这表明目前的假肢技术依然缺失一项至关重要的功能。她可以凭眼睛判断机械手的位置，但她不能感觉到机械手在做什么动作。她无法感觉到机械手的爪子是否触到了瓶子，更不可能感知瓶子是否会从机械手的握持中滑出来。没有这种感觉反馈，即使是最简单的动作也可能会做得很慢而且笨手笨脚，对此，伊戈尔·斯帕蒂克（Igor Spetic）深有体会。斯帕蒂克的右手在2010年的一次工伤事故中被严重压伤，随后他装了假手。他讲述了使用假手时打碎碗碟，将水果捏得太紧以致水果破裂，还有在当地商店想要拿起罐头时，罐头却掉了下去等尴尬事。他认为，获得触觉将是“再好不过的事情”，因为“它使我们离重新有手又近了一步”。

目前，假肢技术的研究人员正努力使假肢具有接近真实器官的感觉功能，从而让斯蒂帕克的愿望得以实现。这项任务的难度令人望而生畏。研究人员已经设法解读了大脑发出的信号，眼下他们必须把信号输入神经系统。触觉是一种非常复杂的信息组合——从抚摸羊毛制品时那种柔和的感觉，到握住湿滑饮料罐时的那种滑腻感，都是触觉的一种。这方面的研究目前仍处于起步阶段，而研究人员所采用的策略也多种多样：有的人打算激活残肢中的神经，重新引导到身体的其他部位上；有的人则干脆直接利用大脑（见“感觉信号的发送与反馈”）。不过，“这或许是下一件必将会发生的大事，”凯斯西储大学的生物医学工程师罗伯特·基尔希（Robert Kirsch）声称。

另类感觉

传统的假肢并不是没有反馈机制。例如，目前广泛使用的“分开式挂钩”（split-hook）假手通常就有一个挽具，它让患者可以通过移动身体的另一部位（例如对侧的肩部）来开合假手，这样，患者在抓住东西时就会感受到挽具中的阻力。类似地，安装了电动假肢的人（这种假肢由残肢中肌肉发出的电信号控制）在推东西时，残肢会感觉到压力，而在抓住东西时则可能会听到电机声音出现细微的变化。研究人员甚至曾尝试通过振动、空气压力以及电刺激来有意地产生此类反馈。

不过这些感觉全都显得很不自然——这或许是许多人弃用假肢原因之一。假肢看起来怎么都不像身体的一部分。

重建“真实”的感觉绝非易事。感觉既来自皮肤中的众多感受器（它们负责探测质地、振动、痛觉、温度及形状），也来自肌肉、关节以及肌腱中的那些形成“本体感觉”（对于肢体在空间中的位置的感觉）的感受器。假肢中安装的传感器能够收集许多这类感觉，而问题在于如何让它们产生的信号流向大脑中的恰当部位。

对于像斯帕蒂克这样做了截肢手术的人来说，为实现这一目的，直观的办法是让信号进入肢体残端中的残留神经。有些研究人员——如犹他大学的神经假肢技术专家肯·霍希（Ken Horch）——用的正是这一招：他们把电极穿进残肢中的神经，然后用微弱电流刺激神经，以使患者产生手指在动或者在被触摸的感觉。

这种方法甚至能让患者分辨出物体的一些基本特征。一位失去了双下臂的人通过一只安装了传感器的假手，能够区分出木块和泡沫橡胶块。他识别出这些东西的大小及其软硬的正确率，是随机乱猜的两倍以上。有关力度和手指位置的信息，会从假手传送到一台电脑上，继而刺激植入他上臂神经中的电极。佛罗里达国际大学的研究人员目前正忙于打造一种使用此技术的可植入装置。

但有的研究人员担心，将电极直接植入神经可能会对神经造成损伤。因而，凯斯西储大学的生物医学工程师达斯汀·泰勒（Dustin Tyler）和同事，开发出了一种状似护腕的电极把神经包围起来。“我们希望能接触到尽可能多的神经而又不用真的穿刺到神经里面，”泰勒称。他们证明，给猫安上这种护腕式电极并通电，可以精准地激活神经，使猫的脚向特定的方向移动。现在，他们在尝试刺激那些传送感觉信息的神经。据泰勒说，他们的第一位患者——就是斯帕蒂克——于2012年5月在前臂中植入了护腕式电极，现在斯帕蒂克的多个部位都有“非常自然的感觉”。该团队目前正在对第二位患者身上的电极进行测试。

复杂的感觉

这类结果看来大有希望，不过研究人员或许需要刺激数百乃至数千的神经纤维才能产生复杂的感觉，而且，如果他们想尽量减少更换电极所需的手术次数，就必须让这些电极能够正常工作多年。因此，有的研究人员另辟蹊径，尝试通过触摸患者的皮肤来给予他们感觉反馈的功能。

此技术是在2002年偶然发现的。当时，芝加哥康复研究所仿生医学研究中心主任托德·库伊肯（Todd Kuiken）领导的一个团队正在测试一种新方法，以改进患者对假肢的控制能力。他们的构想是，把患者残臂上原本用来控制手部的神经，重新连接到身体其他部位的肌肉中。当患者想合拢自己的手时，那块接上神经的肌肉就会收缩，产生一个电信号，使假肢动起来。

第一位接受这种“定向神经移植术”的患者是输电线工程师杰西·沙利文（Jesse Sullivan），他因电灼伤而失去了双臂。当他的臂部神经改道至胸部肌肉后，他就可以通过心里想象某个动作来操控假手。但出乎所有人意料的是，当胸部被触摸时，他也开始出现了那只失去的手被触摸的感觉。原来，改道的神经已经长进了胸部皮肤里，因此大脑就把它的感觉信号判读为来自患者的手。他胸部上的某些部位有手掌的感觉，而其他一些部位则有类似手指或前臂的感觉。

此类结果让我们看到了这样一种可能性：来自假肢的感觉信息可以传递给一个装置，然后由装置来刺激皮肤的不同部位。那些已经做了定向神经移植手术的人，在新接上神经的皮肤上施加压力会引发触觉，就像失去的手又有了感觉。这种方法并非完美无缺，因为手的各个部位并不能非常明确地对应到移植了神经的皮肤上，而且不同患者的对应情况也有不同。此外，将假肢发出的详尽感觉信息传递出去也颇有挑战性，因为刺激区仅限于很小一块皮肤。尽管如此，库伊肯以前的一位同事还是在和伊利诺伊州埃文斯顿的HDT机器人公司合作，打造这样一种装置，而库伊肯自己也打算开发一个。

直接激活神经元

不过，对于像哈钦森这样发生过中风的人，或者是遭受过脊髓损伤以致四肢到大脑的神经通道被切断的人，上面的方法没有一个管用。因此，一些研究人员干脆就直接在大脑上下工夫。原则上这应该是很简单的。信号是从人体的特定部位传到大脑的相应部位，因此科学家只要激活接收触觉信号或本体感觉信号的神经元，就应该能让患者产生这些感觉。

然而要做到这一点极其困难，因为科学家们对负责接收信号的究竟是哪些神经元还没有完全了解。这样，研究人员就面临两种方案可供选择：要么鉴别并模仿已有的天然信号，要么就让大脑学习一套新的信号。

芝加哥大学神经科学家施利曼·本什马亚（Sliman Bensmaia）领导的一个团队采用了第一个方案。在一项研究中，该团队成员反复地戳猴子手上的两个地方，训练猴子：依据戳的第二下的部位是在第一下的左边或右边，来决定眼珠向左转还是向右转。然后，研究人员将电极插入猴子脑中，观察当他们戳在猴子手上的不同地方时，大脑有哪些部位起反应。

研究人员弄清楚了当他们戳猴子的小指时，会激活的那些神经元后，他们在接下来的实验中，便向这些神经元发送电流，以模拟戳的动作。据本什马亚说，受到电流刺激时，猴子便开始转动眼睛，好像它们的手指真的被戳了一样。本什马亚在神经科学协会2012年的年会上报告了这些结果。

杜克大学医学院的神经科学家米古埃尔·尼科莱利斯（Miguel Nicolelis）则对第二种方案情有独钟。他和同事训练猴子仅靠思维，来操纵一只虚拟手在电脑屏幕上移动，并触碰屏幕上的东西。当虚拟手接触到一个“粗糙”的东西时，他们就向猴子的大脑发送低频电脉冲，而如果是碰上“光滑”的东西，则发送一个高频脉冲。

久而久之，猴子逐渐学会了根据大脑所接收到的信号频率来选择东西，并且基本上能够“感觉”到屏幕上的东西。尼科莱利斯希望，他能把这一方法用到装了假肢的人身上。

然而，无论是尼科莱利斯还是本什马亚，都不知道他们所测试的猴子是否感受到戳碰、粗糙或其他某种感觉（如刺痛）。“它们肯定有所感觉，”尼科莱利斯声称，“但究竟感觉到什么，却只有猴子自己知道。”

不论使用的是什么信号，科学家都需要一种更精细的方法来传递这些信号。布朗大学的神经工程师阿托·鲁米科（Arto Nurmikko）指出，使用电刺激时，靠近电极尖端的所有神经元都会不加区别地被激活，因此“即使我有一根宇宙中最尖的针”，这种无选择的激活也可能产生一些意想不到的效应。例如，当你试图让一根手指有感觉时，有可能使手的其他部位也产生感觉。

因此，鲁米科和其他研究人员现在使用光来代替电，从而选择性激活特定神经元群，重建触觉。他们首先运用一种名为“光遗传学”（optogenetics）的技术，让猴脑中特定部位里的光敏蛋白的基因得到表达，这些部位有接收来自手的触觉信息的功能。然后，他们训练猴子把手放在垫子上，一旦垫子开始振动，就立即把手拿下来。接下来，当他们用一个植入猴子颅骨中的光源刺激大脑时，猴子从垫子上抬起手的几率达到了90%。本什马亚认为，在人类中运用此类方法或许是十几二十年之后的事了，但这是一个很有发展前途的方向。

无须完美

即使这类方法经改进，能够达到实用水平，我们也不清楚这类方法产生的触觉有多接近天然感觉。刺痛、戳痛以及振动等等，与我们用手捏住一个苹果，或用手指在桌面边缘划过时所感受到的复杂感觉仍然相差很远。

不过，匹兹堡大学的生物工程师道格拉斯·韦伯（Douglas Weber）指出，患者并不需要十全十美的触觉。只要反馈信息足以增进他们对握持的控制力，就有助于他们做拿起水杯等简单的事情。人工耳蜗也是一个例子。植入了人工耳蜗的患者，往往只要获得足以进行电话交谈的听力就感到心满意足了，即使他们还是无法区分音乐的微妙之处。

包含了感觉反馈功能的装置中，最高级的装置之一是约翰斯·霍普金斯大学应用物理学实验室开发的一种假臂。这项研究是美国国防部的一个研究项目的一部分，此项目自2006年以来已经花了1.44亿美元，来改进从伊拉克和阿富汗回国的受伤士兵所用的假肢。新开发的假臂安装了一百多个传感器，可以探测从压力到温度的各种感觉。匹兹堡大学和加州理工学院的科学家打算，通过脑刺激向患者传递来自假肢的感觉反馈，目前他们正争取获得主管部门的批准。

斯帕蒂克就迫不及待地想要搞到一只有触觉的假手。“一旦如愿，我说不定会把所有东西都摆在桌面上，然后一个个地抓，”他说，“我会兴奋得简直不知道从哪件东西抓起。”

感觉信号的发送与反馈

假肢可以由来自大脑的神经信号加以控制。但为了实现迅速而流畅的假肢动作，就需要向大脑发回感觉反馈信息。装有传感器的假肢目前正在研制中，而且研究人员也在探索若干种不同方法，来将传感器的输出信号发送到神经系统中。