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即使经过长期暴露仿生触摸也不会重映射大脑

神经科学和工程学的进步为类似Luke Skywalker的假肢带来了巨大希望:几乎与人的肢体没有区别的机器人设备。解决这一挑战的关键是设计一种不仅可以用用户自己的神经活动进行操作的设备,而且还可以准确而精确地接收并向用户传递感官信息。

芝加哥大学和查默斯科技大学的神经科学家的一项新研究于12月22日发表在《细胞报告》杂志上,强调了这可能证明是多么困难。在三名受试者的肢体被神经肌肉骨骼假肢替换的队列中,研究人员发现,即使使用了整整一年的设备,参与者的主观感觉也从未改变以匹配触摸传感器在其假肢设备上的位置。

触摸感的稳定性突显了神经系统适应不同感觉输入的能力的局限性。

三名上肢截肢的参与者配备了高科技神经假体设备,这些设备直接固定在其肱骨上。用户可以通过从植入到手臂剩余肌肉中的电极接收到的信号来控制假体设备,并通过另一组植入的电极接收到感官反馈。假肢拇指上的传感器触发了神经的刺激,进而引起了触觉。

但是,由于神经的组织本质上是任意的,因此外科医生无法确定其电极放置在拇指的正确位置是否会产生感觉。在这项研究中,假肢使用者并未报告感觉到了拇指的感觉,而是报告了其他手部的感觉,例如中指或手掌。

然后,参与者每天要佩戴长达12个小时以上的假体,并在一年多的日常活动中使用它来操纵物体。

“目前的神经电极存在的一个问题是,在植入手术期间您无法分辨出神经的哪一部分对应于哪种感觉,因此电极不一定总是准确地落在神经中与神经位置匹配的位置上。人工关节中的传感器”,神经肌肉骨骼假体的主要作者和开发商Max Ortiz Catalan博士,查尔默斯理工大学仿生学副教授,瑞典哥德堡仿生学和疼痛研究中心主任。

他继续说:“我们希望,由于患者在几个月中的每一天,每天,每天都在握着物体并在手的其他地方感觉到感觉,大脑会通过将感觉转移到拇指上来解决这种失配。”

尽管能够在与物体交互时观察到手,但是没有用户报告说他们感觉到了拇指上的感觉,而是感觉一直存在于最初感觉到的同一区域。

高级作者说:“一年中的每一天,这些受试者都看到他们的义肢拇指触摸东西,并感觉到它在不同的位置(有时靠近拇指,但不在拇指上),而且感觉从未改变。甚至没有臭味,” Sliman Bensmaia博士,位于芝加哥的James and Karen Frank家庭生物生物学与解剖学教授。

这些结果挑战了关于肢体丧失后大脑可塑性的普遍教条。许多人认为,在失去感觉输入后,大脑具有很高的重组能力,可以将现有的,未使用的大脑组织用于其他目的。

Bensmaia说:“一直以来,神经系统都是可塑的,因此,如果您看到的与所感觉到的不匹配,这将是重新映射神经的绝佳机会。” “例如,如果您将两个手指缝在一起,看看它们在大脑中的表示方式,它们似乎已经融合在一起。”

他继续说:“但是我认为这个想法被夸大了。这不像是您在整理房间,而是更像是听到回声在空荡荡的房间里弹跳。” “您可能会从相邻的四肢那里得到一些重叠的感觉,但这仅仅是因为用于响应感觉的大脑区域是空的,激活周围的神经元会通过空虚产生回声。”

这项研究强调了使用这些类型的神经修复设备为患者植入感觉阵列时准确知道电极放置位置的重要性,因为大脑似乎不太可能对感觉输入进行实质性调整。本斯马亚说:“这意味着你真的必须把事情做好。” “这里没有重犯。”

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