概要图

近日据外媒报道--在一项人体研究中，范斯坦医学研究所(Feinstein Institutes for Medical Research)的研究人员通过一种微创的大脑电极植入物来激发触觉。这项研究最近发表在《Brain Stimulation》上，据研究人员表示该项技术有望帮助到瘫痪患者和神经系统疾病患者。

许多疾病和损伤，包括中风、糖尿病或脊髓损伤，都会导致失去触觉，这使患者的日常活动变得困难，并对患者的情感带来伤害。

该论文的主要共同作者 Santosh Chandrasekaran 博士和 Stephan Bickel 医学博士以及 SEEG 电极。Credit: The Feinstein Institutes for Medical Research

想象一下自己就是那位失去触觉的患者，自己感觉不到一个热乎乎的杯子，也感觉不到有人握着你的手。此前，通过脑机接口（BCI）技术，研究人员已经能够对大脑的某些（脑回）区域进行电刺激，并恢复手部的一些感觉。通过这项新研究，科学家们成功地表明，使用立体脑电图 (SEEG) 电极刺激其他技术难以到达的大脑区域（脑沟），可以唤起指尖的精确感官知觉。

该研究的Chad Bouton教授表示:“从扣衬衫纽扣到握住亲人的手，在失去触觉之前，我们往往认为自己拥有触觉是理所当然的。而我们的研究结果表明，即使在失去这种感觉之后，仍有能力产生这种感觉，而这可能会在未来为我们提供临床选择。”

通过由神经外科医生Ashesh Mehta 医学博士领导的微创手术，在两名患者的脑沟（沟槽）中植入了 SEEG 电极。在进行电刺激时，研究参与者报告了手和指尖的“刺痛感”或“电感”。

图1

HD-ECoG和SEEG电极可进入不同的皮层区域

为了确定S1中手指的位置(图1)，在功能成像时，参与者使用拇指(D1，红色)、食指(D2，绿色)、小指(D5，蓝色，参与者1)或中指(D3，蓝色，参与者2)执行按键任务。在参与者1中，我们使用数字1、2和5的目的是为了绘制手的长度，而在参与者2中，研究者的目的是专注于前三个数字，因为它们在抓取和操作物体的功能上更重要。

图S1显示，组平均皮层区域定义与个体受试者的皮层髓鞘和厚度图吻合良好。在第4区(中央沟前壁)和第3a区(中央沟底部)的重叠激活很明显(大部分蓝色和大部分绿色隐藏在红色下面)。在两个参与者的外侧内侧轴3b区可以观察到D1、D2和D3/D5具有拓扑意义的表征。

图S1

由沟刺激引起的指尖知觉

研究人员分别用HD-ECoG或SEEG电极对 S1 脑回和脑沟区域的直接电刺激引起的感官知觉进行了表征。

对两名参与者进行电刺激，并逐渐增加刺激强度，直到达到感知阈值，这时参与者描述他们的感知。从图中可以发现，由沟刺激引起的知觉倾向于高度集中，通常局限于手指的单个节段内，通常在指尖。引起这些感知的SEEG电极主要位于中央后回前壁附近(图2,A和C面板;图S3)。同时，由脑回刺激引起的知觉往往延伸到一个或多个手指的多个部分(图2,B和D)。有趣的是，研究者发现，当刺激S1脑回区域时，局限于指尖的知觉很少。正如预期的那样，被唤起的知觉表现出手的身体局部组织，拇指知觉是由更侧向的电极引起的，而食指、中指和手腕的知觉是由更侧向的电极引起的(图2D)。

图2

图S3

“人工智能、脑电极和生物电子医学的进步为脊髓损伤或中风后的患者带来了巨大希望，”研究人员表示，“这项意义非凡的研究表明，生物电子医学和神经外科可以恢复此前在这些情况下丧失的功能。”

为了研究大脑的反应，研究人员还用同样的电极来记录手部机械刺激时的神经信号。研究人员表示，这一过程使研究人员能够加深对处理人脑中与触摸相关的感觉所涉及的神经回路的知识。

图 4. 诱发感知的热图。 图A中热图显示手的任何区域的频率是由两位参与者汇集的 S1 沟刺激诱发的感官知觉的一部分。 图B中热图显示手的任何区域的频率是由两名参与者汇集的 S1 回旋刺激诱发的感官知觉的一部分。

研究人员表示，通过 SEEG 电极微创脑沟刺激可能是一种恢复感觉的临床可行方法，未来有可能造福更多的瘫痪患者或者神经系统疾病患者。

参考信息

Santosh Chandrasekaran, Stephan Bickel, Jose L. Herrero, Joo-won Kim, Noah Markowitz, Elizabeth Espinal, Nikunj A. Bhagat, Richard Ramdeo, Junqian Xu, Matthew F. Glasser, Chad E. Bouton, Ashesh D. Mehta, Evoking highly focal percepts in the fingertips through targeted stimulation of sulcal regions of the brain for sensory restoration, Brain Stimulation, Volume 14, Issue 5, 2021, Pages 1184-1196, ISSN 1935-861X, https://doi.org/10.1016/j.brs.2021.07.009.

https://www.businesswire.com/news/home/20210816005435/en/Feinstein-Institutes-Researchers-Evoke-Sense-of-Touch-Through-Brain-Implant-Electrodes

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