宾州州立大学突破神经假体瓶颈：通过优化电刺激时间参数克服触觉习

手部触觉的丧失——无论是源于中风、周围神经损伤、脊髓创伤还是肢体截肢——都会从根本上损害日常生活。在缺乏实时感觉反馈的情况下，诸如握住脆弱的陶瓷杯、抓取餐具、书写或打字等基本任务都变成了日常的挑战。

尽管生物工程师已经开发出能够提供人工电脉冲以模拟触觉的经皮神经电刺激（TNS）和侵入式神经植入物，但这些技术普遍面临一个生理学障碍：感觉习惯化。

在较长时间内，中枢神经系统会适应重复性的人工电刺激。随着神经回路适应持续的输入，感知到的强度会减弱并最终完全消失。对于使用机动假肢的截肢者来说，这种衰减是灾难性的：没有稳定的触觉反馈，个人就无法调节抓握力度，导致他们要么压碎脆弱的物品，要么意外将其掉落。

现在，由宾州州立大学神经康复领域多萝西·福尔·哈克与J·洛伊德·哈克讲席教授、机械工程教授Xiaogang Hu领导的研究团队，揭示了习惯化的神经动力学机制，并找到了一种绕过该障碍的刺激方案。

该研究发表在《IEEE Transactions on Medical Imaging》上，证明了经过精确校准的“刺激-休息”间隔可以维持稳定、长期的触觉感知，同时触发大脑脑网络之间的适应性重新分配。

“重复性刺激——无论你是通过神经、皮肤还是直接针对大脑的一部分进行刺激——随着时间的推移，都会被感知为在下降或减弱，”Hu教授解释道，“通过这项工作，我们试图避免或最小化这种习惯化，从而在更长的时间内实现更稳定的触觉。”

为了确定电刺激参数如何影响神经适应，研究人员系统地测试了健康志愿者中不同的电脉冲持续时间和休息间隔。

电极被放置在前臂的周围神经上，以提供温和的电脉冲，使其感觉像是温和的刺痛感。通过逐次试验的心理物理学评分，研究团队确定了一个特定的组合：5秒的电刺激后接40秒的恢复间隔，从而防止了感觉衰减。

在包含60个连续刺激周期的45分钟延长持续试验中进行评估时，参与者报告零习惯化，从第一个脉冲到最后一个脉冲都保持了清晰、一致的触觉。

“想象一下，有人用他们的假肢拿着一杯水——触觉对于他们维持适当的抓握力至关重要，”Hu指出，“我们不希望他们用太大的力气捏碎杯子，也不希望他们随着时间的推移失去触觉而掉落杯子；我们需要确保这种感觉是稳定的。”

为了探索大脑在长期刺激期间如何维持稳定的感知，研究人员部署了功能性近红外光谱（fNIRS）技术。

与需要患者躺在巨大且嘈杂的扫描仪内部的磁共振成像（fMRI）不同，fNIRS采用配备轻型光学光极的柔性帽子。这些发射器将无害的近红外光束透过头皮和头骨射入浅表大脑皮层。通过测量光线反射回配对光电探测器的强度，该系统量化了局部氧合和脱氧血红蛋白的微小变化，作为局部门神经元代谢和突触活动的精确代理指标。

以负责映射身体触觉的初级体感皮层为目标，fNIRS在参与者直立坐着并接受TNS的同时捕获了实时的皮层动力学。

光学扫描揭示了一个意想不到的神经功能分歧：尽管参与者报告在整个45分钟内物理感觉完全相同，但他们底层的大脑激活模式却在不断变化。

“参与者报告说感觉是一样的，但他们大脑中的活跃区域实际上随时间发生了变化，激活强度和空间分布也在改变，”第一作者、圭尔夫大学助理教授、曾在Hu实验室担任博士后研究员的Dr. Susan Coltman说，“信号始于体感皮层，但随着时间的推移，它们移动到该起源区域之外的不同大脑区域，这反映了在长时间感觉刺激期间，大脑逐步招募了分布式脑区来处理信息。”

感觉的保持似乎并不依赖于静态的局部反应，而是依赖于大脑动态招募分布式的联络和次级感觉网络来维持意识感知。

这些发现对临床神经康复具有重要意义。从半球性中风中恢复或患有上肢截肢的个体已经经历了广泛的皮层重组。了解健康大脑如何平衡刺激时间和网络招募，为编程下一代仿生假肢和可穿戴康复袖套提供了定量的模板。

研究团队计划将这些优化的刺激范式扩展到局灶性中风病变和肢体缺失的患者群体中，旨在校准能够适应受损、重构神经通路的个性化电刺激间隔。

通过在刺激和恢复之间取得生物学平衡，工程师们正逐步接近不仅能自然移动、而且感觉永远真实的假肢。