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DARPA为截肢者植入神经接口 重拾自然触觉反馈

2016年11月12日 08:34:461350YIVIAN

压力(触摸体验的物理数值)是人类感知的一个基本维度,可让大脑知道皮肤与某物接触,而且还能知道该接触有多强烈。这种意识可以使人们,例如,轻轻地,安全地处理一个鸡蛋,不会过于挤压鸡蛋导致其外壳破裂。

DARPA正在为受伤的服务成员开发出先进的假肢,并解锁人机系统其他应用的新功能,而理解压力和触摸感觉的其他因素,以及学习如何通过机器人手臂和其他机器来表现出来是关键。现在,由DARPA的Hand Proprioception and Touch Interfaces(HAPTIX)项目资助的研究团队,包括美国凯斯西储大学、Louis R. Stokes Cleveland VA医学中心和芝加哥大学的研究人员已经朝着这个目标前进。他们在《Science Translational Medicine》期刊上刊登了此次发现,说明了如何通过电刺激来为神经系统压力的分级感觉进行编码。

HAPTIX的项目总监道格·韦伯(Doug Weber)表示:“DARPA正在通过刺激外围神经来引起假肢使用者对触觉和运动的自然感觉。要确定神经系统是如何对触摸的不同维度进行编码是一个巨大的挑战,但有了这些知识,我们可以设计更强大的神经界面,重新定义人类与工具和机器的交互方式。”

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在两名志愿者的帮助下(两位志愿者上肢截肢,并通过手术在其残留的上臂中植入神经接口,时间已经超过两年),研究人员进行了测试以辨别神经的电刺激的幅度和频率如何被大脑解释为触摸压力。

在HAPTIX系统中,当志愿者假肢手上的压力传感器接合时,传感器就向志愿者身体外部的刺激器发送信号。然后刺激器将电脉冲发送到缠绕在志愿者手臂主要神经束上的电极(截肢之前控制志愿者手部的相同神经束)。规律的刺激通过神经传递到大脑,而大脑会根据这些规律来辨别不同水平的强度。

研究小组发现,通过调节被刺激的神经纤维数量(刺激振幅)和刺激的频率,感官信息可通过周围神经系统传递到大脑,使得志愿者可以区分不同水平的触觉强度。通过解耦刺激振幅和频率(意指断开两者的联系),并一次改变一个,研究人员可以预测压力感知的程度。

研究人员测试了志愿者通过三种方式辨别触觉强度的能力:可以区分多小的刺激差异,将其判断为不同的压力水平;评定不同信号的强度;对假肢的感觉强度与施加在完整手上的测量压力进行比较和匹配。研究人员在最后一次测试期间发现,志愿者能够可靠地将施加在假肢的压力感觉与其完整手部的实际压力相关联。测试显示,用户可以辨别由志愿者解释的20个不同的强度水平,以压力程度进行说明。

DARPA资助的研究人员此前通过连接到中枢神经系统和周围神经系统的脑机接口来启动对机器人肢体的运动控制。在本月早些时候,DARPA宣布Revolutionizing Prosthetics项目中的一个团队能够通过直接神经界面把机器人手臂的触摸感觉传递给志愿者的大脑。该研究补充了HAPTIX项目早期的实验,HAPTIX此前使用假肢臂和周围神经系统之间的侵入性较小的界面来递送触摸刺激。然而,在所有这些情况下,用户很难感知到物体对假肢的压力,以及通过假肢施加到持有物体上的具体压力。HAPTIX项目的最新成果为触觉感觉定量背后的神经机制提供了新的信息,并且可以支持用于多种应用的神经接口。

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