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神经假体技术旨在为因神经损伤或其他神经性疾病而失去感知或运动功能的患者提供功能性恢复。对于许多经历了截肢或患有脊髓损伤的人来说，神经假体装置可通过与神经系统直接对接，恢复感觉和运动的双向交流，以提高他们的生活质量。然而，与恢复运动控制相比，恢复自然触觉体验面临着更多挑战。这是因为触觉体验不仅涉及感知物理世界的复杂过程，还需要在空间和时间上同步传递信息，以确保感知的精确和自然。
在这种背景下，神经形态技术应运而生，这种技术通过模仿神经元和突触的自然行为，为神经刺激提供更自然的编码策略，从而有望提高触觉反馈的自然度。因此，从这一方面出发，本文提出将神经形态技术纳入神经假体可能是开发更自然的人机界面的有效方法，可能导致设备性能，可接受性和可嵌入性的进步。此外，研究者们还强调了持续的挑战和促进这些先进技术未来集成所需的行动。 一、神经形态技术的优势 神经形态技术是一种利用模拟/数字混合信号来实现的技术，它能够模仿神经元和突触的生物学时间常数，从而在硬件层面上实现神经系统的计算功能。这种技术与传统的数字处理器不同，后者依赖于逐个步骤处理信息，而神经形态系统则能够通过内存计算实现同时处理大量信息。神经形态计算的最大特点在于其内存和处理协同分布，这使得其功耗和数据处理效率大大提高，非常适用于实时的神经信号处理。 神经形态硬件在神经假体中的应用可以大致分为以下几个方面： 1. 处理感知信息：从可穿戴传感器收集数据并进行实时处理。 2. 神经刺激生成：利用模拟的神经元模型，将处理后的感知信息转化为用于神经刺激的电信号。 3. 神经系统接口：通过植入的电极将信号传递到神经组织，从而恢复用户的自然触觉体验。 通过这种途径，神经形态系统可以显著提高神经假体的自然度，并减少由信号处理带来的延迟，使假体更好地融合到用户的身体内。 二、神经假体中的主要挑战 虽然神经形态技术在理论上非常适合用于神经假体，但在实际应用中面临许多挑战，这些挑战主要集中在以下几个方面： 1. 神经接口 神经接口是神经假体的重要组成部分，它决定了神经假体能否与人体神经系统有效连接。良好的神经接口需要具备以下特征： 生物相容性：电极材料的选择、大小以及植入方式都会影响界面的生物相容性。电极材料需要是经过认证的医用标准材料，以减少对周围组织的机械应力和异物反应。 选择性：神经接口的选择性是指电极激活目标神经元而不激活其他神经元的能力。高选择性可以提高神经刺激的效果，减少不必要的副作用。电极的大小、形状、配置等都会影响其选择性。 稳定性和模块化：神经接口需要在植入后长时间保持稳定，同时电极材料和结构应能抵抗外部环境的影响，确保长期的有效性和耐久性。 2. 神经刺激与感觉编码 对于感觉神经假体，触觉恢复的难点在于如何通过电刺激让用户感受到与自然触觉相似的体验。由于触觉体验在空间和时间上具有高度的多维性，恢复触觉需要同时调节多个参数，例如脉冲频率、幅度、宽度等。因此，现有的单参数或低复杂度的编码方法难以满足自然触觉的需求。  图1 | 用于感觉反馈恢复的神经假肢。触觉系统的神经假肢的主要构建模块是感知模块、计算模块和刺激模块。感知技术（例如，可穿戴的触觉传感器）必须嵌入到机器人假肢中，以便提取与外部世界相关的所有物理交互。然后，由神经形态技术组成的计算模块必须使用生物模拟编码算法将传感器的读数转换成电刺激模式。最后，刺激模块必须通过可植入电极向神经组织注入电流，能够引发自然的神经激活，允许自然和有信息量的感觉。插图的部分内容改编自参考文献32在神经形态技术的帮助下，研究者可以采用更加复杂的神经激活模式，使得神经刺激与自然感觉的编码更为接近。例如，采用基于事件的编码方式，在检测到特定的外部事件时产生脉冲，从而减少处理的数据量，并提高响应的及时性。
3. 工程难题 神经形态硬件的开发还面临着诸如低功耗、集成度、以及与生物系统的兼容性等工程难题。现有的神经形态传感器大多仍停留在概念验证阶段，未能广泛应用于实际的神经假体中。例如，虽然软神经形态实现（结合传感器与微控制器的系统）可以应用于纹理识别和非侵入式的感觉恢复，但其功耗和小型化性能未达到完全符合神经假体的要求。此外，这些设备在实际应用中如何应对长期的使用条件也是一大挑战。 三、神经形态技术在神经假体中的具体应用 1. 仿生学在触觉恢复中的应用 仿生学的目标是恢复用户对物理世界的自然感知。人类皮肤是一个复杂的器官，通过成千上万的机械感受器感知外部的物理作用。这些感受器将信息传递给神经系统，最终形成对外部世界的感知。 神经形态硬件可以模仿这种自然的触觉编码过程，通过实时调节电刺激的空间和时间特性，使得神经激活的模式尽可能接近于健康触觉系统中生物感受器的激活模式。例如，可以通过控制多个刺激电极的参数，来实现更加复杂的神经激活模式，使得用户的感觉更加自然。 2. 神经假体的闭环控制 闭环控制对于神经假体非常重要，它意味着系统可以根据用户的动作反馈，实时调整对神经的刺激。例如，假肢在感知到物体的抓取力过大时，可以通过神经刺激传递给用户，提醒其调整动作。这种实时的闭环控制需要神经形态硬件在毫秒级的时间内对数据进行处理和响应，以保证用户的体验不会受到延迟的影响。
图3 | 通过神经形态硬件在神经机器人设备中实现仿生学。描述了一个利用神经形态硬件的闭环仿生神经机器人假肢的完整设计。假肢脚下的压力事件被嵌入在人工皮肤中的可穿戴传感器感知。这些传感器的信息流是神经形态芯片的输入，该芯片将它们转换成类似自然触觉处理的生物启发式神经刺激模式。神经刺激参数和植入式神经界面的通道的共调节将允许在用户残留的神经系统中引发自然的激活模式。电刺激将自然且信息丰富，允许在感觉-运动循环中最大限度地利用机器人假肢。插图的部分内容改编自参考文献32。 四、未来的方向与研究机会 神经形态技术的未来方向主要包括以下几个方面： 1. 提高仿生编码的复杂性 当前的神经形态实现多集中在单一或少数参数的调节上，而自然触觉编码涉及多个参数的综合作用。未来的研究可以通过提高仿生编码的复杂性，将自然触觉的空间和时间特征融入到神经刺激中，从而实现更自然的感觉恢复。 2. 开发全神经形态管道 为了充分利用神经形态技术的优势，有必要开发完整的神经形态管道，包括传感器、处理器和刺激器。这种管道可以在信息采集、处理和传输的每个环节都采用神经形态的设计理念，从而提高系统的整体效率和集成度。 3. 与现有技术的整合 神经形态技术与现有的神经接口技术之间还存在兼容性问题，例如如何在不增加系统复杂度的情况下将神经形态硬件与植入电极整合。因此，未来的研究可以集中在神经形态硬件的微型化和低功耗实现上，使其能够更好地融入现有的神经假体体系中。 五、临床应用的挑战 在将神经形态技术应用于临床的过程中，仍然有许多问题需要解决。首先是电极的植入和长期稳定性问题。目前，大多数神经接口依赖于植入电极，而这些电极在长期使用过程中可能会导致组织反应、发炎或电极迁移等问题，影响其稳定性。其次，如何确保神经刺激的选择性和稳定性，以在不损伤神经的情况下有效传递感觉信息，这也是一个挑战。为了应对这些问题，研究人员提出了一些新的电极材料和涂层，以提高电极的生物相容性和选择性。 另外，神经系统对持续刺激的适应性也是一个需要关注的问题。在生物系统中，长时间的刺激可能会导致神经元的适应，从而减少对刺激的反应。因此，在设计神经假体的过程中，需要对神经刺激进行动态调节，以避免神经的适应性导致感知失效。 六、结论 神经形态技术为神经假体提供了一种全新的设计思路，通过模仿神经系统的自然行为，使得感觉信息的编码和传输更加自然和高效。尽管面临着诸多技术和工程上的挑战，神经形态技术在提高神经假体的自然度、减少功耗和增强用户体验方面具有巨大的潜力。 未来，随着神经形态硬件、传感器和神经接口的不断发展，神经假体有望实现更自然、更精确的触觉和运动控制，从而提高用户的生活质量。这不仅在临床康复中具有重要意义，还为人类在探索人机交互和增强人体功能的过程中提供了更多可能性。 仅用于学术分享，若侵权请留言，即时删侵！ 加入社群 欢迎加入脑机接口社区交流群， 探讨脑机接口领域话题，实时跟踪脑机接口前沿。 加微信群： |
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