接下来，我和我的同事们打开我们和我们的合作伙伴一直在研发的触觉系统功能神经接口实验室在凯斯西储大学也在克利夫兰。此前，外科医生j·罗伯特·安德森(J. Robert Anderson)和迈克尔·基思(Michael Keith)在斯派蒂奇的右前臂植入了电极，现在它与20个位置的3条神经相连。刺激不同的神经纤维会产生现实的感觉，斯佩蒂奇认为这些感觉来自他失去的那只手:当我们刺激一个点时，他会感觉右手有触碰;拇指上的另一个点产生感觉，以此类推。
为了测试这种感觉是否能让斯派蒂克更好地控制他的义手，我们在设备的食指、中指和拇指上放置了薄膜力传感器，我们利用这些传感器发出的信号来触发相应的神经刺激。亚博排列五投注网站我们再一次看到斯派提克抓住了另一个樱桃。这一次，他的手很细腻，他把茎拔了下来，丝毫没有损坏水果。
在我们的试验中，当触觉系统打开时，他能够在93%的时间内完成这项任务，而当触觉系统关闭时，只有43%。更重要的是，斯派蒂克报告说，他感觉就像在抓樱桃，而不仅仅是用工具去抓。我们一打开刺激，他就说，“这是我的手。”
修复硬件:在一次工业事故中失去右手的伊戈尔·斯派蒂克(站着)一直在与作家达斯汀·j·泰勒(坐着)合作开发一种实验性的触觉系统，让斯派蒂克在失去的那只手上也能有感觉。
迈克•麦格雷戈
最终，我们希望设计出一个和失去的手一样有能力的假肢。我们更直接的目标是接近斯派提克，让他暂时忘记，他失去了一只手。目前，我们的触觉系统还处于初级阶段，只能在实验室中使用:斯佩提克的手臂上仍然有电线，在试验期间连接到我们的计算机，使我们能够控制刺激模式。然而，这是第一次一个没有手的人在失去肢体的几个星期内能够感受到各种真实的感觉。我们现在正致力于一个完全可植入的系统，我们希望在五年内准备好进行临床试验。
给假肢增加触觉会有什么用呢?目前，有假肢的人通常只能用他们的假肢做一些不需要精确操作的工作，比如支撑和握持。来自我们的触觉系统的感觉反馈将改善控制和信心，允许更多地使用假体来完成日常生活中的许多小任务。
除此之外，我们希望恢复人与人之间最基本的联系形式之一。想象一下，失去触觉会是什么感觉。触觉给了我们与他人如此深刻的联系感。当我们问斯派蒂克和其他假肢佩戴者如何改善他们的机械肢体时，他们普遍表示，他们想牵着爱人的手，真正地感受到它。我们的技术总有一天会让他们实现这个人类的目标。
我的整个职业生涯研究人与机器的联姻。我在生物医学工程和神经工程交叉领域的工作促使我寻求一些基本问题的答案:电子电路如何以神经系统能够理解的方式与神经系统对话?我们如何利用这种能力为一个失去一只手的人恢复一系列的感觉呢?如何利用这些技术来改善和增强其他人的生活?
在过去的几十年里，该领域取得了显著的进步，包括可以植入大脑或身体的更好的硬件，以及可以理解和模仿自然神经代码的更好的软件。在这个编码中，神经系统中的电脉冲在脑细胞之间传递信息，或者沿着遍布全身的末梢神经的神经元传递信息。这些信号驱动着身体的执行器，比如肌肉，它们以感觉、肢体位置、肌肉力量等形式提供反馈。
通过将电极直接插入肌肉或将电极缠绕在控制肌肉收缩的神经上，我们可以向这些电极发送命令，这些命令大致复制与移动手、站立或抬起脚相关的信号。最近的一些研究旨在理解和恢复感觉系统美国退伍军人事务部和国防高级研究计划局该公司的手部本体感受和触摸界面(HAPTIX)程序。
硬线:x光片显示了斯派蒂奇前臂的手术植入电极袖口和上臂上连接外部计算机的电线。图片来源:泰勒实验室/克利夫兰VA医疗中心
我们在触觉界面方面的工作属于这两个新项目，但重点是将失去的肢体的感觉信号恢复到大脑。设计这样的接口是困难的，因为它必须允许对人的周围神经进行精确的刺激模式，而不损害或以其他方式改变神经。它还必须在身体的恶劣环境中可靠地工作多年。
设计植入接口有几种方法。侵入性最小的方法是将电极嵌入肌肉，靠近目标神经进入肌肉的位置。这种系统已被用于恢复脊髓损伤、中风和其他形式的神经损伤后的功能。人体对电极的耐受性很好，通过手术更换电极也相对容易。然而，当电极需要激活肌肉时，通常需要高达20毫安的电流，这与你在地毯上拖着脚走并被“电击”时的电流大致相同;即便如此，肌肉也并不总是完全被激活。
最具侵入性的方法是将电极插入神经深处。将刺激触点放置在离目标轴突(神经细胞中传导电脉冲的部分)如此近的地方，意味着需要更少的电流，并且可以选择性地激活非常小的轴突群。但身体倾向于排斥放置在神经保护层内的外来物质。在动物实验中，正常的炎症过程通常会将这些电极推出神经。
介于这两种方法之间的是环绕神经并在神经表面放置电接触的系统。仅仅刺激某条神经的一个部位的简单系统在商业上是可行的治疗癫痫帮助中风患者说话和吞咽。更复杂的多通道版本已经在临床试验中可靠地使用了近十年，以恢复脊髓损伤后的上下肢功能。
自20世纪90年代末以来，我的团队一直在研究这种环状电极，也被称为神经手铐。我们早期解决的一个问题是如何在不穿透神经的情况下增加对神经的接触。传统电极袖口的小表面积和圆柱形并不适合这项任务。因此,我们压平了神经袖带这样它就能与神经的一个长方形横截面相吻合。
袖扣:这些扁平的电极袖口，由作者的团队开发，环绕神经，允许信号在8个通道上发送。图片来源:泰勒实验室/克利夫兰VA医疗中心
2014年，我们推出了最新版本的扁平袖带，它有8个接触点，每个接触点连接到不同的刺激通道。到目前为止，我们已经在少数受试者身上植入了八通道袖带。拔樱桃的志愿者斯派蒂克将扁平电极袖口放置在正中神经和尺神经周围，这是他手臂上三条主要神经中的两条。他在桡神经周围放置了一个传统的圆形电极。这为他的前臂提供了总共20个刺激通道:在正中神经和尺神经各有8个，在桡神经上有4个。
斯派蒂克第一次测试我们的系统时，我们不知道是否有任何通道会转化为不同的感觉或不同的位置。我们焦急地打开它，激活了斯派提克正中神经的一个接触点。“哇!他说。“那是我的拇指尖。这是受伤后我第一次感觉到自己的手。”这是研究者一生向往的时刻之一。
进一步的测试表明，我们的20个刺激点在斯派蒂克失踪的手上的19个地方产生了感觉，包括他手掌左右两侧的点，他的手背，他的手腕，他的拇指和指尖。
下一代袖口的触点将是现在的四倍。通道越多，我们就能更有选择性地接触到小群轴突，并提供更有用的感觉范围。除了触觉，我们还想产生温度、关节位置(称为本体感觉)，甚至疼痛等感觉。尽管疼痛有负面的含义，但它是一种重要的保护机制。在我们的测试中，一个刺激通道确实引起了疼痛的感觉。最后，我们希望包括这种保护机制。
目前，我们正在探索其他渠道，并继续与Spetic合作，自2012年5月以来，Spetic已经植入了该系统。它仍然运行良好。他说，当这个系统关闭时，他甚至没有意识到自己体内植入了什么东西。
的当然,引发基本感觉是一回事;控制这种感觉是另一回事。这类似于说话:你需要发出声音，但为了被理解，声音必须以不同的模式发出，可以被解释为语言。在我们的第一个实验中，我们用恒定强度的有规律的脉冲刺激神经。这种有规律的刺激会导致一种叫做感觉异常的刺痛感，就像睡着了的脚感觉像针扎一样。所以我们产生的是声音，而不是语言。
当神经系统正常工作时，这种电脉冲并不是它的一部分:我们唯一在大脑中看到它们的时候是在异常活动期间，比如癫痫发作。我们认为这种刺激会导致数百个神经元一起放电，产生一种不寻常的信号，大脑将其解释为一种普通的刺痛感。
完全控制:随着他义手的触觉系统的开启，斯派蒂克可以完成一些精细的任务，比如摘葡萄、抓花瓣、拧开帽子。
在接下来的实验中，我们改变了通过神经传送到大脑的电脉冲的模式。我们尝试改变脉冲的时间，并在序列中穿插成对的脉冲。这两项测试都没有产生显著差异。由于变量太多，要理解脉冲模式的改变如何影响斯派提克的感觉是困难和耗时的。
为了推进实验，我在自己身上测试了许多模式。一名团队成员使用一种临床可用的非侵入性神经刺激系统，在我的手指上放置电极，它们可以激活浅表神经，然后我让我的学生用不同的模式“嗡嗡”我。我们发现，以波状模式改变脉冲强度，在大约一秒钟的周期内增减，将感觉从刺痛转变为更自然的压迫感——感觉就像有什么东西在挤压我的手指。
然后我们准备在斯派蒂克身上尝试这个模式。当刺激开始时，他看起来困惑了一会儿，然后他把剩下的一只手的手指放在脖子上。“再也感觉不到刺痛了，”他说。“这是一种脉动压力，就像我把手指放在脖子上，感觉自己的脉搏一样。”经过一些调整，我们能够消除脉动，他报告了一个自然的触摸，“就像有人刚刚把一根手指放在我的手上。”
我们认为，较弱的脉冲会激活神经中较少的神经元，而较强的脉冲会激活更多的神经元。不同神经元放电速率的变化是大脑所理解的神经代码的一部分。如果我们使用的模式与大脑已经知道的模式相似，它就会根据经验来解释这种感觉:实际上，大脑会说，好吧，这就是触觉。
我们现在正在努力了解更复杂的模式如何产生更微妙的感觉。到目前为止，斯派蒂奇报告说，他能感觉到魔术贴和砂纸的质地，还能感觉到物体在他的皮肤上移动、颤动和敲击。更重要的是，斯派蒂克能够以一种他以前无法做到的方式操纵精细的物体。他不再仅仅依靠视觉来了解他的假肢的工作情况。当他有知觉时，他比没有知觉时更自信地使用义肢。
那么如何所有这些知识都能帮助别人吗?与我们的合作伙伴美敦力公司而且劳伦斯利弗莫尔国家实验室我们正在创造一种完全可植入的刺激系统，搭配先进的拟人触觉假肢。该项目的目标是在三年内研制出可工作的设备，以便在我们5年合同的最后一年进行临床试验。
他的硕士触摸:作者的团队正在研究一种完全可植入的触觉系统，有望在五年内进行临床试验。图片:迈克·麦格雷戈
在实验室之外建造一个复杂的神经刺激装置并不容易。假肢需要持续监测假肢上的数百个触觉和位置传感器，并将信息反馈给植入的刺激器，然后刺激器必须将数据转换为神经代码，应用于手臂的神经。亚博排列五投注网站与此同时，我们的系统将通过记录残肢中多达16块肌肉的活动来确定用户移动假肢的意图。这些信息将被解码，通过无线传输到体外，并转换为电机驱动命令，从而移动假肢。总的来说，该系统将有96个刺激通道和16个记录通道，需要协调才能产生运动和感觉。所有这些活动都必须以最小的时间延迟进行。
当我们完善我们的系统时，我们试图找到最佳的接触数。例如，如果我们使用三个扁平的电极袖口，每个电极袖口有32个接触点，我们假设可以在整个手部的96个点提供感觉。那么用户需要多少通道才能拥有出色的功能和感觉呢?这些渠道的信息是如何协调和解释的?
为了制造一个不依赖外部计算机的独立设备，我们需要微型处理器，可以插入到假体中，与植入物通信，并向电极袖口发送刺激。植入的电子设备必须足够坚固，可以在人体内使用数年，而且必须在体内供电，不能有电线伸出皮肤。我们还需要制定出假肢和植入处理器之间的通信协议。
这是一项艰巨的工程挑战，但当我们成功时，这种触觉技术不仅能让假肢用户受益。这样的界面将允许人们以一种前所未有的方式触摸事物。想象一下，一位产科医生能感受到胎儿的心跳，而不是仅仅依靠多普勒成像。想象一下，一个拆弹专家摸着炸弹里的电线，而炸弹实际上是由一个远程操作的机器人处理的。想象一下，一位地质学家感受数千公里外岩石的重量和质地，或者一位销售人员在推特上与新客户握手。
这样的场景可能在未来十年内成为现实。感觉告诉我们什么是我们的一部分，什么不是。通过将感觉延伸到我们的机器，我们将扩大人类的影响范围——即使这种影响只是握着爱人的手那么简单。
本文以“恢复人情味”为题发表在2016年5月的印刷版上。
作者简介
达斯汀·j·泰勒他是克利夫兰凯斯西储大学功能神经接口实验室的负责人，在那里他创造了技术，并研究了人类与机器交互的新的直接方式。
