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(duì)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(cè)試，因?yàn)镮gorSpetic的右手已經(jīng)在一次事故中離他而去了。

　　過(guò)去幾年，他一直在使用我們團(tuán)隊(duì)開(kāi)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(lái)說(shuō)，普通假肢對(duì)截肢患者的裝飾意義大于實(shí)用意義，在這項(xiàng)測(cè)試中，用傳統(tǒng)假肢拿取的櫻桃確實(shí)非常容易被擠爆。

　　隨后，我們?yōu)樗麚Q上肌電假肢并啟動(dòng)了功能性神經(jīng)接口實(shí)驗(yàn)室專門研發(fā)的觸覺(jué)系統(tǒng)。此前，我們團(tuán)隊(duì)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(guò)20個(gè)觸點(diǎn)連接了3條主要的神經(jīng)。這樣一來(lái)，通過(guò)對(duì)不同神經(jīng)上不同觸點(diǎn)的刺激，就能讓Spetic產(chǎn)生真實(shí)的感覺(jué)。

　　為了測(cè)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(hào)來(lái)刺激相應(yīng)的神經(jīng)。這樣一來(lái)，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(lái)。

　　在我們的一系列測(cè)試中，當(dāng)觸覺(jué)系統(tǒng)開(kāi)啟時(shí)，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(shí)成功率連一半都不到。此外，據(jù)Spetic反映，開(kāi)啟觸覺(jué)系統(tǒng)時(shí)他好像有了真手，假肢不再像是簡(jiǎn)單的工具了。每當(dāng)我們開(kāi)啟系統(tǒng)，Spetic就會(huì)說(shuō)：“我的右手回來(lái)了?！?/p>

　　未來(lái)，我們希望能將假肢打造的與人手一樣靈活。不過(guò)，眼下我們的目標(biāo)是讓Spetic忘掉自己已經(jīng)沒(méi)了右手。現(xiàn)在，我們的觸覺(jué)系統(tǒng)還處在初級(jí)階段，而且只能在實(shí)驗(yàn)室中完成任務(wù)。在測(cè)試中，Spetic完成任務(wù)時(shí)胳膊上還需要插各種線纜，因?yàn)槲覀冃枰ㄟ^(guò)電腦來(lái)控制神經(jīng)的刺激。即便如此，這款觸覺(jué)系統(tǒng)也是有史以來(lái)第一次讓截肢患者產(chǎn)生真實(shí)的感覺(jué)。眼下，我們正在開(kāi)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(kāi)始進(jìn)行臨床試驗(yàn)。

　　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(jué)系統(tǒng)，截肢患者在控制肢體方面的自信就會(huì)大大增強(qiáng)，利用假肢，他們就能完成生活中一些較為簡(jiǎn)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(jué)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(huì)感覺(jué)很失落。當(dāng)我們?cè)儐?wèn)許多截肢患者時(shí)，他們均表示希望能用假肢握住自己愛(ài)人的手、感受到對(duì)方手心的溫度。未來(lái)，我們的技術(shù)將幫他們完成這一夢(mèng)想。

　　在解決人類與機(jī)械的融合問(wèn)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(yàn)也讓我一直在思考一個(gè)看似簡(jiǎn)單的問(wèn)題：怎樣才能讓電子電路與神經(jīng)系統(tǒng)無(wú)障礙交流呢？如果我們找到了解決辦法，又如何將這些感覺(jué)信號(hào)傳輸給截肢患者呢？此外，除了解放截肢患者，這項(xiàng)技術(shù)還能在哪些方面提高普通人的生活質(zhì)量呢？

　　在過(guò)去的幾十年中，我們?cè)谠擃I(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(hào)成了身體的驅(qū)動(dòng)器，它們產(chǎn)生的反饋就變成了截肢患者的感覺(jué)。此外，信號(hào)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(guò)發(fā)送信號(hào)控制電荷來(lái)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(jué)感知接口方面，我們主要致力于連接斷肢和大腦。不過(guò)其過(guò)程非常之艱難，因?yàn)樵诖碳し矫嫖覀円η缶_，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(shí)日。

　　要打造植入界面就稍微簡(jiǎn)單些，因?yàn)槲覀兊目蛇x方式很多。對(duì)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(kāi)始了廣泛使用，它對(duì)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(duì)電荷的排異反應(yīng)小，而且電荷的更換也非常簡(jiǎn)單。不過(guò)在執(zhí)行任務(wù)時(shí)它需要的電量稍大，有時(shí)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(guò)它也有副作用，那就是身體會(huì)對(duì)電荷產(chǎn)生較強(qiáng)的排異反應(yīng)，有時(shí)會(huì)直接將它們排出神經(jīng)外。

　　恢復(fù)觸覺(jué)：為了讓截肢患者重獲觸覺(jué)，凱斯西儲(chǔ)大學(xué)的研究者通過(guò)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?yàn)檫@樣電子信號(hào)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(huì)有感覺(jué)，他們甚至能感覺(jué)到不同的質(zhì)地。雖然這套實(shí)驗(yàn)性系統(tǒng)暫時(shí)還需要外置電腦幫忙，但研發(fā)人員未來(lái)會(huì)將控制器無(wú)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(jiǎn)單的肌肉植入法只能刺激某條神經(jīng)上的一點(diǎn)，因此它可用于癲癇病的治療或幫助中風(fēng)病人說(shuō)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(kāi)始，我們的團(tuán)隊(duì)就一直在開(kāi)發(fā)此類環(huán)繞式電荷，也就是我們所說(shuō)的神經(jīng)袖口。在研發(fā)中心我們遇到過(guò)許多問(wèn)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(wú)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(gè)接觸點(diǎn)，每個(gè)觸點(diǎn)都會(huì)負(fù)責(zé)一種刺激。現(xiàn)在，這種8通道的袖口已經(jīng)開(kāi)始了試驗(yàn)，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(guò)另一個(gè)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(gè)刺激通道。

　　Spetic第一次進(jìn)行測(cè)試時(shí)，我們完全不知道不同的通道產(chǎn)生的刺激在感覺(jué)和方位上有差別。我們只是緊張的打開(kāi)設(shè)備，并激活了他正中神經(jīng)上的一個(gè)觸點(diǎn)?！巴?，”他馬上尖叫了起來(lái)，“我大拇指有感覺(jué)了，這是我受傷后第一次?。　蓖瑫r(shí)，這一時(shí)刻也讓我們整個(gè)團(tuán)隊(duì)感到歡欣鼓舞。

　　經(jīng)過(guò)后續(xù)的測(cè)試，我們發(fā)現(xiàn)這20個(gè)刺激點(diǎn)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(diǎn)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(jué)就會(huì)變得更豐富。除了觸覺(jué)，我們未來(lái)還想讓他們能體驗(yàn)到溫度、關(guān)節(jié)位置、肌肉直覺(jué)甚至疼痛感。雖說(shuō)疼痛這個(gè)詞有些貶義，但它確實(shí)一種重要的保護(hù)機(jī)制。在測(cè)試中，一條刺激通道就觸發(fā)過(guò)疼痛感。

　　眼下，我們還在繼續(xù)開(kāi)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(yùn)行良好，Spetic稱當(dāng)系統(tǒng)關(guān)閉后，他完全感覺(jué)不到這些電荷的存在。

　　從技術(shù)角度來(lái)說(shuō)，觸發(fā)出患者的感覺(jué)是一回事，但如何控制這種感覺(jué)又是另一回事。整個(gè)過(guò)程就像說(shuō)話，你需要發(fā)出聲音，但要想讓他人理解，你就要用語(yǔ)言將其道出。在第一次實(shí)驗(yàn)中，我們就發(fā)生錯(cuò)誤，造成Spetic感覺(jué)異常，當(dāng)時(shí)我們發(fā)出的就只是“聲音”，而不是“語(yǔ)言”。

　　在第二次測(cè)試中，我們更換了電子脈沖的模式，將刺激信號(hào)放進(jìn)了大腦，不過(guò)這次測(cè)試結(jié)果依然不容樂(lè)觀。由于可選項(xiàng)太多，我們還是沒(méi)有找到正確的刺激模式。

　　為了加快測(cè)試的進(jìn)度，我甚至都開(kāi)始在自己身上做實(shí)驗(yàn)了。由于我雙手健在，所以團(tuán)隊(duì)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(shí)驗(yàn)開(kāi)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(jué)到壓力——就好像有人在擠壓我的手指。

　　在我身上試驗(yàn)成功后，團(tuán)隊(duì)開(kāi)始在Spetic身上進(jìn)行測(cè)試。刺激剛剛開(kāi)始時(shí)，他顯得有些迷茫，不過(guò)隨后他就稱自己感覺(jué)到了壓力，就好像將手指放在頸動(dòng)脈上一樣。經(jīng)過(guò)微調(diào)后，我們換了一種刺激方法，Spetic這次感覺(jué)到了溫柔的撫摸，“就像某人將手指放在我手上一樣?！?/p>

　　經(jīng)過(guò)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(jiǎn)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(jué)到事物的紋理，他可以區(qū)分魔術(shù)貼和砂紙，而且能感覺(jué)到物體的移動(dòng)和振抖，此外他還能感覺(jué)到別人的觸摸?，F(xiàn)在，Spetic使用假肢時(shí)變得更自信了。

　　眼下我們正聯(lián)合其他實(shí)驗(yàn)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(jiǎn)單任務(wù)。預(yù)計(jì)該項(xiàng)目3年之內(nèi)就能完成，5年就能開(kāi)始臨床測(cè)試。

　　打造一個(gè)能帶出實(shí)驗(yàn)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?cái)?shù)百個(gè)觸覺(jué)和位置傳感器，并實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)回傳給刺激器，隨后，這些數(shù)據(jù)就會(huì)被轉(zhuǎn)譯成神經(jīng)編碼傳給神經(jīng)。與此同時(shí)，我們的系統(tǒng)還將通過(guò)記錄殘肢上16塊肌肉的運(yùn)動(dòng)習(xí)慣來(lái)推測(cè)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(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)假肢。總的來(lái)說(shuō)，該系統(tǒng)最終會(huì)擁有96個(gè)刺激通道和16個(gè)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(guò)程中，我們?cè)噲D找到觸點(diǎn)的最佳數(shù)值。如果我們使用3個(gè)扁平電荷袖口（每個(gè)有32個(gè)觸點(diǎn)），我們就能在手上創(chuàng)造96個(gè)觸點(diǎn)。那么我們到底需要多少刺激通道呢？經(jīng)過(guò)這些通道的信息又如何來(lái)調(diào)整和轉(zhuǎn)譯呢？

　　想要打造一個(gè)無(wú)需外置電腦的獨(dú)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(hào)的任務(wù)。此外，這些電荷也必須堅(jiān)固耐用，能在人體內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間工作。

　　這絕對(duì)是一個(gè)令人望而卻步的工程挑戰(zhàn)，不過(guò)如果我們成功了，這項(xiàng)觸覺(jué)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(guò)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(lái)十年內(nèi)就能成真。感覺(jué)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(shí)很簡(jiǎn)單，那就是再次感受到愛(ài)人手心的溫度。