Science：唤起触觉的脑-机接口，改善机器手臂的控制！

由脑-机接口控制的义肢，可以使四肢瘫痪的人恢复功能性运动。然而，视觉提供的反馈有限，因为关于抓取物体的信息，最好是通过触觉反馈传递。

在此，来自美国匹兹堡大学的Jennifer L. Collinger& Robert A. Gaunt等研究者，通过用触觉感知补充视觉，使用双向脑-机接口，记录运动皮层的神经活动，并通过皮质内对体感皮层的微刺激产生触觉感觉。相关论文以题为“A brain-computer interfacethat evokes tactile sensations improves robotic arm control”发表在Science上。

论文链接：https://science.sciencemag.org/content/372/6544/831

美国大约有16.9万人，因脊髓损伤(SCI)而患有四肢瘫痪。在颈椎脊髓损伤患者中，近一半的人希望改善手臂和手的功能，而不是其他所有的康复优先事项。通过植入电极测量运动相关神经活动的脑机接口(BCIs)，可以恢复部分失去的手臂和手的功能，因为大脑皮层，仍然能够产生控制手臂和手运动的神经活动。因此，BCIs可以绕过受伤的脊髓，来控制假肢、功能性电刺激系统或其他设备。

研究者之前开发了一种BCI-控制的机械臂，可以在多达10个连续的、同时控制的尺寸范围内，进行抓取和伸展运动。这种高维连续控制，使参与者能够完成上肢功能的临床评估，如动作研究臂测试(ARAT)。然而，这种BCI控制，只依赖于视觉，缺乏关键的感官维度。当身体健全的人与环境互动时，皮肤的触觉反馈，是有效探索和操作物体的必要条件；没有触觉体感反馈，即使是简单的操作任务，也会变得笨拙和缓慢。

为截肢者，恢复一些躯体感觉的神经修复术，正变得越来越普遍。然而，这些外周刺激方法，不能适用于四肢瘫患者；损伤水平以下的刺激，不能将信息传递到体感皮层，进行处理和感知。虽然，人们早就知道体感皮层的刺激，能唤起可察觉的感觉，但只是在最近对长期植入微电极阵列的人类的研究中，才阐明了微刺激的感知特征。双向脑-机接口，是一种通过皮层刺激来唤起触觉的系统，同时在尝试运动过程中，解码神经记录来控制机器人假肢，但这种系统的潜在优点，在人类身上还未探索过。

在这里，研究者展示了唤起触觉感知的双向脑-机接口(图1A和B)，极大地提高了功能性任务的表现。这些人工触觉感知是由机器人手上的传感器实时驱动的，机器人手上的传感器对物体接触和抓握力做出反应(图1C和D)，是通过体感皮层1区皮质内微刺激(ICMS)引起的，并且是由参与者自己的手掌和手指产生的。这一结果表明，一种模仿感觉运动控制原理的神经接口，可以直观地用于严重运动障碍的人。这使得四肢瘫痪的人，可以通过机械手臂大幅度提高表现；临床上肢评估的试验时间减少了一半，平均时间从20.9秒到10.2秒。更快的时间，主要是由于尝试抓住物体的时间更少，这表明模仿已知的生物控制原理，可以使任务表现，更接近健全的人类能力。

图1 双向BCI系统概述。

图2 ICMS对ARAT性能的影响。

图3 ICMS对对象传输性能的影响。

综上所述，ICMS-诱导的触觉感知提高了任务表现，达到了以前从未观察到的水平，减少了触及和抓握的时间，其方式类似于抓握状态转换过程中自然触觉的作用，而且似乎不是练习的结果。这种人工触觉，大大提高了脑机接口的性能，这表明，那些模拟已知的感觉运动电路(尽管目前还不完美)的设计方法，将对脑机接口的未来性能产生重大影响。这对于周围神经系统不再完整的脊髓损伤患者，尤其重要。（文：水生）

来源：材料科学与工程