对于失去肢体或触觉的患者，仅能运动的假肢仍难以完成精细操作——抓取易碎物品、感知物体边界、调节握力，这些日常动作高度依赖触觉反馈。 芝加哥大学、匹兹堡大学等机构组成的合作团队在《自然·生物医学工程》（Nature Biomedical Engineering）与《科学》（Science）发表了两项里程碑式研究，通过植入大脑体感皮层（somatosensory cortex）的微电极阵列，向神经组织施加皮层内微刺激（ICMS），成功为三名脊髓损伤导致瘫痪的参与者重建了稳定、精确定位的触觉，并进一步通过时空模式化刺激，使其能够感知物体的边缘、形状以及划过皮肤的“运动感”。这一突破将神经假体从“运动替代”推向“感觉重建”，为最终实现仿生肢体的自然触觉控制奠定了基础。

触觉缺失的挑战：从运动控制到感觉反馈

现代神经假肢（如脑控机械臂）已能解码运动意图，实现抓握等动作。然而，缺乏触觉反馈导致以下问题：

• 依赖视觉：用户必须时刻注视假肢，否则无法判断是否接触物体；
• 握力失控：无法感知物体硬度与表面摩擦力，易压碎易碎物品或使物体滑落；
• 精细操作受限：无法执行需触觉引导的任务（如捏起细小物体、感知纹理）。

恢复触觉的关键在于向大脑体感皮层——负责处理触觉、本体感觉的区域——传递人工编码的触觉信号。

方法：皮层内微刺激（ICMS）与电极阵列

研究团队在参与者的体感皮层（手部代表区）植入微电极阵列（犹他阵列，每阵列含数十至上百个微电极）。通过向单个或成组电极施加短暂、恒流的电脉冲（ICMS），诱发参与者感知到位于手部特定区域的触觉（如“拇指被触摸”“食指侧面受压”）。

关键技术突破：

• 长期稳定性：对同一电极，在数年间隔的重复测试中，参与者报告的触觉位置保持高度一致，为临床设备所需的可靠性提供了关键证据；
• 重叠感受野：相邻电极的“触觉投射区”常存在重叠。研究团队利用这一特性，将多个电极的刺激进行时序组合，产生了超越“单点接触”的复杂触觉。

核心发现一：稳定、可定位的触觉映射（Nature Biomedical Engineering）

通过对三名瘫痪参与者进行系统性测试，研究者绘制了触觉感受野（projected fields, PFs）的详细图谱：

• 每个电极通常对应手部一个特定子区域（如拇指尖、食指近节、掌心）；
• 刺激强度（频率、幅度）可调节感知的压力大小；
• 关键进展：当两个或多个感受野重叠的电极被同时或顺序激活时，参与者报告的触觉更强、更清晰、更易定位——这一效应使原本“弱而模糊”的感知升级为可用的触觉反馈。

“如果我在第一天刺激一个电极，参与者感觉在拇指上；我们在第100天、第1000天甚至多年后测试同一个电极，他们仍然感觉在大致相同的位置，”第一作者Charles Greenspon博士指出。

核心发现二：边缘、形状与运动感（Science）

在第二项研究中，团队进一步利用时空模式化刺激模拟自然触觉的编码方式：

• 边缘感知：同时激活感受野相邻的多个电极，参与者报告感觉到物体边缘（如手指搭在桌沿）；
• 形状识别：按特定顺序激活指尖区域的电极序列，参与者能识别出“描画”在手指上的英文字母；
• 运动感：以一定速度、方向依次激活相邻电极，参与者报告感觉到物体划过皮肤（如滑动、滚过），且可判断运动方向与速度。

“两个相邻的电极在大脑中产生的触觉并非在手部形成不重叠的‘拼图块’；相反，感受野是重叠的，”Greenspon解释，“我们利用这种重叠性，让用户感受到物体边界或皮肤上滑动的运动感。”这一效果得益于大脑强大的感觉整合能力——即使刺激是离散、逐点进行的，大脑会自动“填补”中间空白，形成连续的运动感知。

临床意义：从实验室到日常应用

• 假肢操作改进：在匹兹堡大学的机械臂测试中，带有触觉反馈的参与者能持续握住方向盘防止滑落、更稳定地抓取物体；
• 长期稳定性：多年的位置一致性表明，该技术可转化为无需频繁校准的临床设备；
• 拓展应用：研究团队正与芝加哥大学产科/外科合作开展“仿生乳房项目”，旨在为乳房切除术后患者重建触觉。

未来方向

研究者计划：

• 增加电极覆盖密度，实现更高分辨率的手部触觉映射；
• 将触觉反馈与运动解码实时整合，实现闭环控制；
• 探索该技术在其他感觉缺失（如本体感觉、温度觉）中的应用。

“我们都关心生活中那些受伤、失去肢体功能的人——这项研究是为他们而做的，”Greenspon强调，“这是我们如何为人们重建触觉的方法，是恢复性神经技术的前沿。”

参考信息
Reference 1 (触觉稳定性): “Evoking stable and precise tactile sensations via multi-electrode intracortical microstimulation of the somatosensory cortex” by Giacomo Valle et al., Nature Biomedical Engineering. DOI: 10.1038/s41551-024-01312-7
Reference 2 (边缘与运动感): “Tactile edges and motion via patterned microstimulation of the human somatosensory cortex” by Giacomo Valle et al., Science. DOI: 10.1126/science.adq8734