觸摸傳達了有關人體與物體交互的豐富信息，為靈巧復雜的行為提供了基礎。當觸摸和操作一個物體時，我們會識別它的紋理品質和局部幾何特征。這些信息在稱為立體認知的過程中被整合到物體的三維認知中。這在一定程度上是由初級體感皮層中的神經元實現，這些神經元具有針對這些特征進行調整的感受野。脊髓損傷通常會破壞手的運動和感覺功能。通過使用由運動皮層解碼的運動意圖信號控制的機器人恢復手部和手臂運動，可以部分避免這種損失。然而，如果沒有體感反饋，不可能實現正常的靈巧手部功能。Brodmann 1區（BA1）的皮層內微刺激（ICMS）是S1的一個子區域，已被證明可以喚起似乎來自皮膚的生動觸覺（投射區域，PFs），并為恢復體感反饋提供了一條有前途的途徑。
最初的ICMS嘗試幾乎完全集中在兩個特征上：感覺位置和強度。通過將手上的傳感器連接到 BA1 中的電極，ICMS可用于直觀地發出仿生手上物體接觸位置的信號，從而引起體位匹配的感覺。由ICMS振幅或頻率控制的感知強度可用于表示相互作用力。但是，觸覺遠比這兩個維度豐富。它還傳達有關紋理、材質屬性、局部輪廓和運動信息。觸覺的這些方面對于人體感知以及與物體靈巧互動的能力至關重要。
近日，美國芝加哥大學Sliman Bensmaia教授率領其團隊，通過具有空間圖案投影場（PF）的電極輸送ICMS，為脊髓損傷個體提供邊緣（包括方向）、曲率和運動（在手指和手水平）的觸覺。該研究基于對人類皮層復雜結構和拓撲學的深入理解，為在高度復雜的人體觸覺系統中創建連貫的人工感知提供了見解，進而有助于構建可更精確地操控仿生手
ICMS 的空間模式喚起了觸覺形狀感知：
作者團隊在兩名頸部脊髓損傷參與者（c1和c2）身上進行了一系列實驗，實驗中將微電極陣列植入到初級體感皮層（BA1）的手部表征區。在這些實驗中，確定三個電極的組合，這些電極的觸覺感知野（PF）在空間上是對齊的，進一步假設這些電極組合能夠誘發類似邊緣的感覺。事實上，參與者在不了解實驗目的的情況下，自發地報告感受到了具有特定方向和形狀的邊緣。為了測試這一現象的穩健性，使用不同的感知野配置重復了這一范式，并發現兩名參與者都能夠可靠地辨別邊緣的方向，無論測試的是哪個手指（c1在d1、d2、d3上的準確率分別為81%、89%、84%，n=150次試驗；c2在d2、d3上的準確率分別為61%、68%，n=75；所有P<0.05）。
接下來，評估了皮質內微刺激（ICMS）的持續時間和幅度對方向識別的影響。與自然觸覺一致，持續時間的增加提高了方向識別的準確性，在0.5秒時達到漸近性能。這表明這一恢復的特征足能為仿生設備提供實時反饋。與持續時間不同，幅度對辨別能力沒有影響，這也與自然觸覺一致。因此，人工觸覺的空間特性與強度無關。將這一范式擴展到任意方向和簡單形狀，要求參與者識別由兩個感知野（PF）誘發的形狀（c2和c1分別識別三個或五個形狀）。兩名參與者都能在多個手指上正確識別形狀（c1：82±9%至72±8%，n=200；c2：50±14%至48±8%，n=120，針對d2和d3，P<0.05），盡管他們往往會混淆相似的形狀。最后，檢查了參與者對這些感知形狀的繪制，發現誘發的觸覺形狀的長度和方向與根據單個電極報告所做的預測相符。即使單個電極的感知野是不連續的，參與者也經常會報告感覺到連續的邊緣，這一觀察結果強調了ICMS的兩點辨別閾值與自然觸覺之間的相似性。這也符合觸覺匯聚錯覺，即多個電極的刺激（就像皮膚上的機械刺激一樣）可以在空間上進行整合，并引起單一的皮層激活區。
圖. S1的ICMS誘發觸覺PFs，其位置遵循組織拓撲學預期
圖. S1的多通道ICMS誘發對任意觸覺邊緣的感知
ICMS 實現觸覺曲率與多指復合觸覺：
到目前為止所呈現的結果涉及簡單的平面感覺；然而，大多數物體都具有豐富的觸覺特征。調整具有相鄰感知野（PF）的電極刺激的幅度和時機，結果c1報告感受到了圓潤的邊緣。為了測試c1感知這種曲率的精確度，調整了刺激幅度來模擬曲率的變化。一旦這種幅度差異超過20%，c1就能夠可靠地識別出彎曲刺激（成功率>75%），盡管表現略遜于自然觸覺，但表現還取決于表面與手指之間的接觸面積。超過這一閾值，c1就能夠成功識別隨機呈現的凹面、平面和凸面（64±7%，n=75，P<0.05）。
當抓住一個物體時，來自多個手指的皮膚輸入會被整合起來以形成物體的表征。為了確定該方法是否能夠擴展到支持這種復雜性，使用了包括多個手指感知野（PF）的多電極皮質內微刺激（mICMS）。參與者c1報告說，他回憶起了抓住真實物體時的感覺。根據這些邊緣的相對位置，在九個具有多個手指感知野的電極上編碼的三個邊緣會喚起各種自然接觸的感覺：當三個手指上的三個編碼邊緣在手指間共線時，感覺像是抓住了一支筆；當邊緣在整個手指長度上共線時，感覺像是從上面抓住了一個罐子；而當多個手指上的感知野被激發且全部重疊（無對齊）時，則感覺像是抓住了一個球。為了測試這些喚起的感覺是否可靠，設計了一個多項選擇題任務，在該任務中，通過mICMS隨機編碼3D物體。參與者c1成功識別出編碼物體的準確率高于隨機水平（79±11%，n=45，P<0.05）。這些研究結果表明，有信息指導的mICMS模式可用于喚起與真實物體相關的生動感官體驗。
圖. 通過ICMS實現的觸覺曲率和復合多指觸覺感知
ICMS 的時空模式喚起觸覺運動：
上述靜態空間信息可用于改善體感受損者的物體識別能力。然而，立體辨物需要主動操作和指尖間的接觸運動來構建豐富的物體表征。在視覺和觸覺中，運動信息是從二維感官面上的時空激活模式中提取出來的。測試是否可以通過以特定時間順序刺激具有相鄰感知野（PF）的電極來模擬這種效果，這些電極沿著近指端-遠指端（沿手指方向）和橈側-尺側（跨手指方向）軸排列。在刺激過程中，兩名參與者都立即描述了在皮膚上感受到的運動，并且能夠區分四個運動方向（c1：76±14%，n=180；c2：78±15%，n=60，P<0.05），即使刺激跨越了多個手指（c1：98±2%，n=120；c2：75±14%，n=75，P<0.05）。接下來，評估ICMS的持續時間和幅度對參與者判斷運動方向能力的影響。與自然觸覺類似，持續時間有顯著影響，而幅度則沒有顯著影響。與上文描述的方向識別結果類似，解釋運動方向僅需幾百毫秒，這對于閉環腦機接口（BCI）來說非常實用。
為了了解多個ICMS序列如何影響運動感知，系統地改變了它們的相對時間，并要求參與者報告感知是連續的還是脈沖式的。只有當序列間隔0至0.5秒時，參與者才會感知到運動。任何重疊都會導致它們看起來像是在兩個位置發生的單個事件，而序列間隔超過0.5秒通常會導致mICMS被感知為兩個連續事件。這一結果不受感知野分離的影響，且時間間隔與自然觸覺的結果非常接近。
圖. S1區域的編碼ICMS誘發明顯的運動感覺
當操作一個物體時，接觸區域感知野內的神經元開始放電，物體運動通過放電的時間調制進行編碼。在參與者c1中，同時刺激了三個具有對齊感知野的電極，然后在這三個電極上通過ICMS幅度調制電壓場，使峰值朝著期望的表觀運動方向移動。跨電極的電流比率變化方向決定了皮層上“移動”模式的方向以及感知到的模式動態程度。通過這種時空ICMS調制，c1能夠在d2的皮膚上四個方向中識別出運動，這與順序mICMS類似。這種編碼策略還可能引發與自然觸覺運動產生的神經激活模式更相似的模式。這一結果表明，這種編碼方法能夠從ICMS中同時區分出三個不同的觸覺特征：位置、強度和運動方向。
在滑動或表面探索過程中發生的速度變化對于觸覺運動編碼至關重要。因此，改變兩個相鄰感知野的時間激活，并要求參與者判斷他們感知到的兩個mICMS模式中哪一個更快。兩位參與者都能以0.56±0.09的韋伯分數辨別運動速度，這與自然觸覺的范圍相同。在參與者c1的d2和d3上呈現時，改變兩個等長ICMS序列的起始滯后會導致感知到的速度發生變化。為了確保參與者是在識別運動速度而不是序列持續時間，使用感知野之間距離不同的電極對重復了這項任務。在參與者c1的d2上交替使用感知野之間距離較短（約0.6厘米）和較長（約1.4厘米）的通道對。對于給定的電極對，無論是標準刺激（500毫秒）還是比較刺激（80至920毫秒），主觀等價點（PSE）都沒有顯著差異。相比之下，短感知野分離和長感知野分離的ΔPSE分別為360毫秒（PSE_speed=1.63厘米/秒）和-140毫秒（PSE_speed=1.67厘米/秒），這證實了影響的是感知到的速度，而不是序列持續時間。這種速度ICMS編碼方案類似于皮膚表面的傳入時空運動編碼。
追蹤皮層上的軌跡可以編碼復雜的觸覺形狀：
運動也是觸覺辨別的重要組成部分。當復雜的觸覺圖案被畫在皮膚上（稱為圖形覺）時，相較于僅僅形成壓痕，這些圖案更容易被識別，而且主動探索物體比皮膚靜態變形能提供更多的信息。同樣地，在初級視皮層（V1）內，通過mICMS按序刺激比使用同時刺激追蹤出的形狀更容易被識別。為了測試運動對復雜觸覺辨別的影響，分別按順序或同時激活代表字母的PF。c1 可以識別由三到六個下圖代表性變化，盡管在順序條件下性能顯著更高（49±17%對37±21%，n=150，P<0.05)。順序激活的優勢隨著形狀復雜性更加明顯。順序激活的另一個好處是能夠減少在任何給定時間點注入皮層組織的電流，這可能會降低感覺適應。在同時刺激的情況下，隨著觸覺形狀復雜度的增加，所產生的代表區域可能會相互干擾，通常會合并成一個并不總是被描述為特定形狀的區域。順序mICMS似乎能夠降低空間模糊的可能性，從而提高誘發圖案的有效空間分辨率。
最后，測試這些基于ICMS的感覺是否能夠在實時功能性任務中用于腦控仿生臂的控制。要求參與者c1使用由大腦控制的仿生臂，根據通過mICMS編碼的運動擾動來操控方向盤。參與者能夠主動對抗這些擾動，僅實時利用基于ICMS的感覺。此外，即使在同時執行心理任務所帶來的額外認知負荷下，參與者c1也完成了任務。
圖. mICMS用于編碼復雜觸覺形狀及敏感化腦控仿生臂的閉環功能控制
小結：
本研究增進了對神經刺激效果的理解，旨在開發出能夠恢復近乎自然觸覺感的更先進皮層神經假肢。盡管BA1區的神經元通常對特定特征（如方向或運動方向）具有調諧性，但ICMS通常僅用于誘發簡單的觸覺感知，類似于皮層視覺假肢誘發的光幻視。這種局限性可能是由于無論神經元是否具有特定的刺激選擇性，都激活了電極附近的所有神經元，從而產生了非特異性模式。然而，盡管存在這一局限性，mICMS仍可用于誘發連貫的視覺形狀，并且如本研究所示，還能誘發連貫的觸覺感知。
參與者即使在單個代表區域（此處指誘發觸覺的神經活動區域）之間存在空間間隔時，也往往能夠感知到邊緣。錯覺研究表明，自上而下的感覺預期可以修改感覺體驗，也許在這種情況下，可以在單個代表區域之間或從不連續的代表區域感知到運動的連續性。作者團隊的研究結果表明，感知到的邊緣長度與電極之間的間隔（皮層距離）相關。這意味著邊緣長度和方向不僅是受刺激電極數量的函數，也是其空間分布的函數。此外，運動方向由mICMS誘導活動的皮層軌跡決定。
觸覺還允許感知三維形狀。觸覺物體感知包括整合接觸點、曲率、質地和局部邊緣等信息，這些信息即使在沒有視覺的情況下也能識別物體。先前的研究已嘗試通過刺激神經和皮層來恢復對物體形狀、順應性或大小的感覺。在這里，作者團隊通過探索利用多個手指誘發的觸覺特征進行三維形狀編碼。當與視覺反饋和主動操作相結合時，這些人工感覺將由于額外的上下文信息和觸覺系統的空間處理能力，而產生更加自然和準確的感知。
先前已有研究表明，mICMS是改善人工觸覺其他特性的一個有前途的方法。據報道，檢測閾值和反應時間有所減少，觸覺辨別能力和定位能力也有所提高。然而，mICMS的一個潛在缺點是它對運動解碼的影響，S1區的ICMS直接觸發初級運動皮層（M1）的活動，從而干擾解碼器。然而，通過實施仿生神經刺激，可以最大程度地減少這種干擾。
與已批準的微電極技術相比，BA1區手指表示的可達性高于其他區域（如3b區和BA2區），使其成為腦機接口（BCI）應用的理想候選。盡管通過靶向較小的3b區可能獲得更好的空間分辨率，但其位于中央溝深處的位置帶來了手術和技術挑戰。此外，BA1具有更大、更復雜的感受野，通常對包括全局運動（矢量平均機制）和形狀在內的刺激特征進行編碼。此外，在BA1中，由外周傳入激活模式攜帶的紋理信息通過皮層神經元的空間和時間濾波特性轉換為速率代碼。實施特定的時空mICMS模式最終能夠編碼與紋理相關的復雜感覺。
盡管觸覺體驗具有多維性，但作者團隊證明，通過使用對意識感覺體驗的神經編碼進行神經科學原理性理解，即使在現有神經接口技術的限制下，也有可能產生復雜的觸覺感覺。隨著更高分辨率電極和傳感器的進一步發展，該刺激協議有可能為癱瘓患者恢復自然觸覺。。
參考文獻：
Giacomo Valle, Ali H Alamri, John E Downey, et al. Tactile edges and motion via patterned microstimulation of the human somatosensory cortex. Science. 2025 Jan 17;387(6731):315-322.
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adq5978
