触摸传达了有关人体与物体交互的丰富信息，为灵巧复杂的行为提供了基础。当触摸和操作一个物体时，我们会识别它的纹理品质和局部几何特征。这些信息在称为立体认知的过程中被整合到物体的三维认知中。这在一定程度上是由初级体感皮层中的神经元实现，这些神经元具有针对这些特征进行调整的感受野。脊髓损伤通常会破坏手的运动和感觉功能。通过使用由运动皮层解码的运动意图信号控制的机器人恢复手部和手臂运动，可以部分避免这种损失。然而，如果没有体感反馈，不可能实现正常的灵巧手部功能。Brodmann 1区（BA1）的皮层内微刺激（ICMS）是S1的一个子区域，已被证明可以唤起似乎来自皮肤的生动触觉（投射区域，PFs），并为恢复体感反馈提供了一条有前途的途径。
最初的ICMS尝试几乎完全集中在两个特征上：感觉位置和强度。通过将手上的传感器连接到 BA1 中的电极，ICMS可用于直观地发出仿生手上物体接触位置的信号，从而引起体位匹配的感觉。由ICMS振幅或频率控制的感知强度可用于表示相互作用力。但是，触觉远比这两个维度丰富。它还传达有关纹理、材质属性、局部轮廓和运动信息。触觉的这些方面对于人体感知以及与物体灵巧互动的能力至关重要。
近日，美国芝加哥大学Sliman Bensmaia教授率领其团队，通过具有空间图案投影场（PF）的电极输送ICMS，为脊髓损伤个体提供边缘（包括方向）、曲率和运动（在手指和手水平）的触觉。该研究基于对人类皮层复杂结构和拓扑学的深入理解，为在高度复杂的人体触觉系统中创建连贯的人工感知提供了见解，进而有助于构建可更精确地操控仿生手
ICMS 的空间模式唤起了触觉形状感知：
作者团队在两名颈部脊髓损伤参与者（c1和c2）身上进行了一系列实验，实验中将微电极阵列植入到初级体感皮层（BA1）的手部表征区。在这些实验中，确定三个电极的组合，这些电极的触觉感知野（PF）在空间上是对齐的，进一步假设这些电极组合能够诱发类似边缘的感觉。事实上，参与者在不了解实验目的的情况下，自发地报告感受到了具有特定方向和形状的边缘。为了测试这一现象的稳健性，使用不同的感知野配置重复了这一范式，并发现两名参与者都能够可靠地辨别边缘的方向，无论测试的是哪个手指（c1在d1、d2、d3上的准确率分别为81%、89%、84%，n=150次试验；c2在d2、d3上的准确率分别为61%、68%，n=75；所有P<0.05）。
接下来，评估了皮质内微刺激（ICMS）的持续时间和幅度对方向识别的影响。与自然触觉一致，持续时间的增加提高了方向识别的准确性，在0.5秒时达到渐近性能。这表明这一恢复的特征足能为仿生设备提供实时反馈。与持续时间不同，幅度对辨别能力没有影响，这也与自然触觉一致。因此，人工触觉的空间特性与强度无关。将这一范式扩展到任意方向和简单形状，要求参与者识别由两个感知野（PF）诱发的形状（c2和c1分别识别三个或五个形状）。两名参与者都能在多个手指上正确识别形状（c1：82±9%至72±8%，n=200；c2：50±14%至48±8%，n=120，针对d2和d3，P<0.05），尽管他们往往会混淆相似的形状。最后，检查了参与者对这些感知形状的绘制，发现诱发的触觉形状的长度和方向与根据单个电极报告所做的预测相符。即使单个电极的感知野是不连续的，参与者也经常会报告感觉到连续的边缘，这一观察结果强调了ICMS的两点辨别阈值与自然触觉之间的相似性。这也符合触觉汇聚错觉，即多个电极的刺激（就像皮肤上的机械刺激一样）可以在空间上进行整合，并引起单一的皮层激活区。
图. S1的ICMS诱发触觉PFs，其位置遵循组织拓扑学预期
图. S1的多通道ICMS诱发对任意触觉边缘的感知
ICMS 实现触觉曲率与多指复合触觉：
到目前为止所呈现的结果涉及简单的平面感觉；然而，大多数物体都具有丰富的触觉特征。调整具有相邻感知野（PF）的电极刺激的幅度和时机，结果c1报告感受到了圆润的边缘。为了测试c1感知这种曲率的精确度，调整了刺激幅度来模拟曲率的变化。一旦这种幅度差异超过20%，c1就能够可靠地识别出弯曲刺激（成功率>75%），尽管表现略逊于自然触觉，但表现还取决于表面与手指之间的接触面积。超过这一阈值，c1就能够成功识别随机呈现的凹面、平面和凸面（64±7%，n=75，P<0.05）。
当抓住一个物体时，来自多个手指的皮肤输入会被整合起来以形成物体的表征。为了确定该方法是否能够扩展到支持这种复杂性，使用了包括多个手指感知野（PF）的多电极皮质内微刺激（mICMS）。参与者c1报告说，他回忆起了抓住真实物体时的感觉。根据这些边缘的相对位置，在九个具有多个手指感知野的电极上编码的三个边缘会唤起各种自然接触的感觉：当三个手指上的三个编码边缘在手指间共线时，感觉像是抓住了一支笔；当边缘在整个手指长度上共线时，感觉像是从上面抓住了一个罐子；而当多个手指上的感知野被激发且全部重叠（无对齐）时，则感觉像是抓住了一个球。为了测试这些唤起的感觉是否可靠，设计了一个多项选择题任务，在该任务中，通过mICMS随机编码3D物体。参与者c1成功识别出编码物体的准确率高于随机水平（79±11%，n=45，P<0.05）。这些研究结果表明，有信息指导的mICMS模式可用于唤起与真实物体相关的生动感官体验。
图. 通过ICMS实现的触觉曲率和复合多指触觉感知
ICMS 的时空模式唤起触觉运动：
上述静态空间信息可用于改善体感受损者的物体识别能力。然而，立体辨物需要主动操作和指尖间的接触运动来构建丰富的物体表征。在视觉和触觉中，运动信息是从二维感官面上的时空激活模式中提取出来的。测试是否可以通过以特定时间顺序刺激具有相邻感知野（PF）的电极来模拟这种效果，这些电极沿着近指端-远指端（沿手指方向）和桡侧-尺侧（跨手指方向）轴排列。在刺激过程中，两名参与者都立即描述了在皮肤上感受到的运动，并且能够区分四个运动方向（c1：76±14%，n=180；c2：78±15%，n=60，P<0.05），即使刺激跨越了多个手指（c1：98±2%，n=120；c2：75±14%，n=75，P<0.05）。接下来，评估ICMS的持续时间和幅度对参与者判断运动方向能力的影响。与自然触觉类似，持续时间有显著影响，而幅度则没有显著影响。与上文描述的方向识别结果类似，解释运动方向仅需几百毫秒，这对于闭环脑机接口（BCI）来说非常实用。
为了了解多个ICMS序列如何影响运动感知，系统地改变了它们的相对时间，并要求参与者报告感知是连续的还是脉冲式的。只有当序列间隔0至0.5秒时，参与者才会感知到运动。任何重叠都会导致它们看起来像是在两个位置发生的单个事件，而序列间隔超过0.5秒通常会导致mICMS被感知为两个连续事件。这一结果不受感知野分离的影响，且时间间隔与自然触觉的结果非常接近。
图. S1区域的编码ICMS诱发明显的运动感觉
当操作一个物体时，接触区域感知野内的神经元开始放电，物体运动通过放电的时间调制进行编码。在参与者c1中，同时刺激了三个具有对齐感知野的电极，然后在这三个电极上通过ICMS幅度调制电压场，使峰值朝着期望的表观运动方向移动。跨电极的电流比率变化方向决定了皮层上“移动”模式的方向以及感知到的模式动态程度。通过这种时空ICMS调制，c1能够在d2的皮肤上四个方向中识别出运动，这与顺序mICMS类似。这种编码策略还可能引发与自然触觉运动产生的神经激活模式更相似的模式。这一结果表明，这种编码方法能够从ICMS中同时区分出三个不同的触觉特征：位置、强度和运动方向。
在滑动或表面探索过程中发生的速度变化对于触觉运动编码至关重要。因此，改变两个相邻感知野的时间激活，并要求参与者判断他们感知到的两个mICMS模式中哪一个更快。两位参与者都能以0.56±0.09的韦伯分数辨别运动速度，这与自然触觉的范围相同。在参与者c1的d2和d3上呈现时，改变两个等长ICMS序列的起始滞后会导致感知到的速度发生变化。为了确保参与者是在识别运动速度而不是序列持续时间，使用感知野之间距离不同的电极对重复了这项任务。在参与者c1的d2上交替使用感知野之间距离较短（约0.6厘米）和较长（约1.4厘米）的通道对。对于给定的电极对，无论是标准刺激（500毫秒）还是比较刺激（80至920毫秒），主观等价点（PSE）都没有显著差异。相比之下，短感知野分离和长感知野分离的ΔPSE分别为360毫秒（PSE_speed=1.63厘米/秒）和-140毫秒（PSE_speed=1.67厘米/秒），这证实了影响的是感知到的速度，而不是序列持续时间。这种速度ICMS编码方案类似于皮肤表面的传入时空运动编码。
追踪皮层上的轨迹可以编码复杂的触觉形状：
运动也是触觉辨别的重要组成部分。当复杂的触觉图案被画在皮肤上（称为图形觉）时，相较于仅仅形成压痕，这些图案更容易被识别，而且主动探索物体比皮肤静态变形能提供更多的信息。同样地，在初级视皮层（V1）内，通过mICMS按序刺激比使用同时刺激追踪出的形状更容易被识别。为了测试运动对复杂触觉辨别的影响，分别按顺序或同时激活代表字母的PF。c1 可以识别由三到六个下图代表性变化，尽管在顺序条件下性能显著更高（49±17%对37±21%，n=150，P<0.05)。顺序激活的优势随着形状复杂性更加明显。顺序激活的另一个好处是能够减少在任何给定时间点注入皮层组织的电流，这可能会降低感觉适应。在同时刺激的情况下，随着触觉形状复杂度的增加，所产生的代表区域可能会相互干扰，通常会合并成一个并不总是被描述为特定形状的区域。顺序mICMS似乎能够降低空间模糊的可能性，从而提高诱发图案的有效空间分辨率。
最后，测试这些基于ICMS的感觉是否能够在实时功能性任务中用于脑控仿生臂的控制。要求参与者c1使用由大脑控制的仿生臂，根据通过mICMS编码的运动扰动来操控方向盘。参与者能够主动对抗这些扰动，仅实时利用基于ICMS的感觉。此外，即使在同时执行心理任务所带来的额外认知负荷下，参与者c1也完成了任务。
图. mICMS用于编码复杂触觉形状及敏感化脑控仿生臂的闭环功能控制
小结：
本研究增进了对神经刺激效果的理解，旨在开发出能够恢复近乎自然触觉感的更先进皮层神经假肢。尽管BA1区的神经元通常对特定特征（如方向或运动方向）具有调谐性，但ICMS通常仅用于诱发简单的触觉感知，类似于皮层视觉假肢诱发的光幻视。这种局限性可能是由于无论神经元是否具有特定的刺激选择性，都激活了电极附近的所有神经元，从而产生了非特异性模式。然而，尽管存在这一局限性，mICMS仍可用于诱发连贯的视觉形状，并且如本研究所示，还能诱发连贯的触觉感知。
参与者即使在单个代表区域（此处指诱发触觉的神经活动区域）之间存在空间间隔时，也往往能够感知到边缘。错觉研究表明，自上而下的感觉预期可以修改感觉体验，也许在这种情况下，可以在单个代表区域之间或从不连续的代表区域感知到运动的连续性。作者团队的研究结果表明，感知到的边缘长度与电极之间的间隔（皮层距离）相关。这意味着边缘长度和方向不仅是受刺激电极数量的函数，也是其空间分布的函数。此外，运动方向由mICMS诱导活动的皮层轨迹决定。
触觉还允许感知三维形状。触觉物体感知包括整合接触点、曲率、质地和局部边缘等信息，这些信息即使在没有视觉的情况下也能识别物体。先前的研究已尝试通过刺激神经和皮层来恢复对物体形状、顺应性或大小的感觉。在这里，作者团队通过探索利用多个手指诱发的触觉特征进行三维形状编码。当与视觉反馈和主动操作相结合时，这些人工感觉将由于额外的上下文信息和触觉系统的空间处理能力，而产生更加自然和准确的感知。
先前已有研究表明，mICMS是改善人工触觉其他特性的一个有前途的方法。据报道，检测阈值和反应时间有所减少，触觉辨别能力和定位能力也有所提高。然而，mICMS的一个潜在缺点是它对运动解码的影响，S1区的ICMS直接触发初级运动皮层（M1）的活动，从而干扰解码器。然而，通过实施仿生神经刺激，可以最大程度地减少这种干扰。
与已批准的微电极技术相比，BA1区手指表示的可达性高于其他区域（如3b区和BA2区），使其成为脑机接口（BCI）应用的理想候选。尽管通过靶向较小的3b区可能获得更好的空间分辨率，但其位于中央沟深处的位置带来了手术和技术挑战。此外，BA1具有更大、更复杂的感受野，通常对包括全局运动（矢量平均机制）和形状在内的刺激特征进行编码。此外，在BA1中，由外周传入激活模式携带的纹理信息通过皮层神经元的空间和时间滤波特性转换为速率代码。实施特定的时空mICMS模式最终能够编码与纹理相关的复杂感觉。
尽管触觉体验具有多维性，但作者团队证明，通过使用对意识感觉体验的神经编码进行神经科学原理性理解，即使在现有神经接口技术的限制下，也有可能产生复杂的触觉感觉。随着更高分辨率电极和传感器的进一步发展，该刺激协议有可能为瘫痪患者恢复自然触觉。。
参考文献：
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
