在前臂截肢者的残肢皮肤投射手指图谱区域进行刺激可诱发触觉。本研究旨在进一步探究诱发触觉与初级躯体感觉皮层中枢活动之间的神经相关性。两名前臂截肢者参与了本研究。研究采用脑磁图神经影像技术揭示初级躯体感觉皮层的活动，同时使用双相电流脉冲序列刺激投射手指图谱中的拇指与小指区域以及对侧手的拇指与小指。对其中一名受试者，在其投射手指图谱的拇指与小指皮肤区域施加局部麻醉，以检验阻断外周神经传导对初级躯体感觉皮层中枢活动的影响。两名受试者获得的结果表明，刺激截肢侧投射手指图谱的拇指与小指区域所产生的初级躯体感觉皮层神经活动，与刺激对侧手拇指及小指所产生的活动相似，二者均符合初级躯体感觉皮层的躯体定位组织特性。初级躯体感觉皮层活动的强度与外周刺激的幅度成正比。特别值得注意的是，局部麻醉降低了脑磁图响应所揭示的初级躯体感觉皮层中枢活动强度，同时受试者报告的诱发触觉敏感性也随之降低。这种神经相关性似乎表明，残肢皮肤投射手指图谱中的手指区域在神经解剖学上与初级躯体感觉皮层的手指区域相连接。因此，对投射手指图谱进行电刺激能够诱发与正常手指相似的自然感觉。这为从仿生手到前臂截肢者、具有手指特异性的自然感觉反馈建立了神经基础。
一、引言
限制上肢截肢者有效控制仿生手的关键技术之一是感觉反馈问题。实现仿生手灵巧控制的愿景激励着全球研究人员开发各种方法来恢复感觉反馈功能。对投射手指图谱进行经皮神经电刺激是一种产生可区分手指感觉的有效方法，该感觉被称为诱发触觉。鉴于其安全性和简便性，经皮神经电刺激是提供非侵入式触觉反馈的合理选择。我们前期的研究已利用脑磁图神经影像技术证明，刺激投射手指图谱在初级躯体感觉皮层产生的中枢活动，与刺激对侧手所引发的活动相似。先前结果验证了脑磁图能够在刺激外周投射手指图谱时捕捉到初级躯体感觉皮层的中枢活动，且被激活的皮层区域符合感觉皮层的躯体定位组织。这可能提示，诱发触觉的一种潜在机制是离断的神经束重新长入残肢皮肤下的感受器中。
展开剩余85%本研究进一步检验了刺激外周投射手指图谱与引发的初级躯体感觉皮层中枢活动之间的神经相关性。研究中，使用双相电流脉冲序列刺激受试前臂截肢者的投射手指图谱区域及对侧手。通过脑磁图记录初级躯体感觉皮层的中枢活动，该技术通过检测大脑皮层中诱发的特定电流来评估神经活动。本研究使用复方利多卡因乳膏来调节投射手指图谱刺激期间的外周神经传导。本研究旨在提供更多证据，表明经皮神经电刺激产生的诱发触觉类似于截肢前正常手指的自然感觉。因此，这将为一种面向截肢者的新型感觉反馈方法奠定神经基础。
二、方法
01. 受试者
通过上海交通大学生物医学工程学院 Med-X 研究院，招募了两名受试者参与本研究。受试者信息列于表1。本研究经上海交通大学生物医学工程学院动物与人体研究伦理委员会批准。实验开始前，已向受试者说明实验流程并签署知情同意书。
表一：受试者基本信息
02. 实验设置
机械压力与电刺激均可诱发感觉感知。使用一支特制的带精细金属头的笔来识别残肢皮肤上的投射手指图谱。通过用此精细笔按压截肢残端的不同皮肤区域，结合受试者的描述，可识别出投射手指图谱区域。对应于拇指和小指尖端的最敏感区域被标出，并在图1(A)中分别标记为1(T)和1(L)。对侧手的拇指和小指分别标记为2(T)和2(L)。
图1：（A）对侧手与截肢残端投射手指图谱的刺激位置示意图。左侧为截肢侧，右侧为对侧。（B）刺激电流模式示意图。（C）脑磁图记录流程及设备图示。
本研究使用的表面刺激电极为无纺布表面电极，其直径被裁剪至约10毫米。电极通过隔离器连接至Master-9刺激器。Master-9是一种电流发生器，可用于产生双相、可编程的电流脉冲。直径10毫米的刺激电极能够匹配投射手指图谱区域并产生更精确的感觉。参考电极直径为25毫米。刺激电极置于1(T)、1(L)、2(T)、2(L)位置。参考电极放置在肘部附近、靠近上臂处。
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本研究使用的刺激电流为单脉冲序列，如图1(B)所示。双相单脉冲由一个负向脉冲和一个正向脉冲组成，脉冲宽度均为200微秒。两个脉冲之间存在10微秒的脉冲间隔。刺激电流的幅度由受试者在不同手指的感觉强度决定。施加刺激电流时，受试者感觉如同有人在敲击手指。随着电流幅度增加，受试者会感觉皮肤受到的压力增强。对投射手指图谱和对侧手的每个区域进行了三次刺激试验。本实验中，刺激电流的最大值是受试者感到最强压力时的电流值。最小值是产生压力感觉的阈值电流。实验中使用的中间值定义为二者之差的一半加上最小值。每次试验包含100次重复脉冲刺激。两个刺激脉冲之间的时间间隔为2秒。
03.数据采集与处理
使用306通道全头型脑磁图设备采集数据。在施加刺激前，要求受试者闭眼、保持放松和静止。在所有刺激过程中记录脑磁图数据。来自刺激器的同步触发信号被发送至脑磁图设备以辅助数据处理。
实验分为两部分进行。一部分是无麻醉条件下的实验，另一部分是局部麻醉条件下的实验。利多卡因是一种常用于减弱小型手术中外周痛觉的麻醉剂。通过阻断钠通道抑制神经异位放电，利多卡因可以改变上行及中枢信号。为避免相互影响，两部分实验在不同时间段进行。
比较投射手指图谱和对侧手刺激引起的中枢反应，可以验证刺激投射手指图谱能在躯体感觉皮层达到与刺激对侧手指相似的效果。使用局部麻醉是为了验证躯体感觉皮层的中枢反应源于投射手指图谱刺激引起的外周感觉神经激活。
在每次实验过程中，试验期间持续向受试者提供电流刺激。每次刺激持续200秒，即100个脉冲。每个位置接受三种不同电流幅度的刺激。
首先记录无麻醉条件下刺激投射手指图谱和对侧手的第一阶段脑磁图数据。随后，对投射手指图谱和对侧手的刺激区域施加局部麻醉，并用三种电流幅度刺激每个部位，同时记录第二阶段的脑磁图数据。
脑磁图数据记录完成后，对受试者进行脑部磁共振成像扫描。磁共振脑成像用于重建受试者的头部模型，并将脑磁图数据映射到大脑皮层。使用软件Freesurfer处理磁共振数据以重建脑模型，然后使用软件Brainstorm将脑磁图数据反映的脑活动映射到磁共振成像的大脑皮层模型上。
在大脑皮层模型中，我们选择感觉皮层和运动皮层作为感兴趣区域，并显示脑图谱中与这些区域相关的激活信号。在时域上，信号也通过试验触发平均技术进行处理。同时检查感兴趣区域的平均信号以评估中枢神经激活情况。
图2：躯体感觉皮层中小指对应区域的活动幅值。横轴代表时间，零时刻表示刺激电流起始时间。纵轴代表脑区活动幅值，所选脑区对应投射手指图谱中的小指。红线标示峰值幅值出现的时间。（A）为无麻醉条件下刺激投射手指图谱中小指的响应。（B）为施加局部麻醉后刺激投射手指图谱中小指的响应。
三、结果
对两名受试者脑磁图数据的分析表明，刺激投射手指图谱和对侧手手指在图3所示的躯体感觉皮层区域引发了清晰的响应，分别对应拇指和小指。拇指和小指的活动区域符合初级躯体感觉皮层的躯体定位组织特点，拇指位置较小指更靠外侧。刺激投射手指图谱和对侧手所引发的初级躯体感觉皮层激活区域呈对称分布。这些结果证明，残肢皮肤投射手指图谱中的拇指和小指区域在神经解剖学上与躯体感觉皮层的手指区域相连接。
图3：躯体感觉皮层中拇指与小指的活动区域。红色区域代表拇指。蓝色区域代表小指。（A）与（C）为受试者1在投射手指图谱及对侧手的手指对应区域；（B）与（D）为受试者2在投射手指图谱及对侧手的手指对应区域。
对投射手指图谱区域施加局部麻醉调节了初级躯体感觉皮层的响应，受试者报告拇指和小指的感觉减弱。图4展示了受试者2大脑中脑磁图响应的分布图。这些图是在初级躯体感觉皮层响应达到峰值振幅时生成的，所用刺激电流为最大值。图4中有无局部麻醉条件下初级躯体感觉皮层响应的对比表明，在相同刺激电流下，无论刺激投射手指图谱还是对侧手，施加局部麻醉后的初级躯体感觉皮层响应均弱于无麻醉条件。这表明局部麻醉降低了皮肤刺激部位的外周神经传导效能，该效应在投射手指图谱和对侧手均存在。
图4：受试者2的躯体感觉皮层活动图。蓝色区域代表初级运动皮层。绿色区域代表躯体感觉皮层。图中已移除这两个区域以外的活动信号。橙色箭头指示躯体感觉皮层内的感兴趣活跃区域。
初级躯体感觉皮层响应的峰值强度与刺激幅度成比例变化。图5展示了受试者2在投射手指图谱刺激期间初级躯体感觉皮层响应强度变化的一个示例。平均而言，对于投射手指图谱中拇指和小指区域的刺激，较高的电流幅度会导致初级躯体感觉皮层峰值响应增强。总体来看，麻醉条件下的初级躯体感觉皮层响应小于无麻醉条件。但值得注意的是，在低电流幅度下，无论是否使用麻醉，初级躯体感觉皮层响应的强度相近。这与受试者报告一致，即超过最小刺激电流幅度后，其在麻醉条件下开始感到刺激减弱。
四、讨论与结论
刺激投射手指图谱区域和对侧手手指所诱发的初级躯体感觉皮层响应大致对称，且符合初级躯体感觉皮层的躯体定位组织。这一发现证实了受试者的报告，即刺激特定手指的投射手指图谱区域会产生一种自然的触感，仿佛截肢侧的手指被触摸或按压。投射手指图谱刺激产生诱发触觉的这一参照关系表明，投射手指图谱皮肤区域内的感受器与初级躯体感觉皮层手指区域之间存在直接的神经连接。
图5：特定区域脑磁图幅值变化图。每个点代表在特定电流强度下100次试验的脑磁图幅值平均峰值。蓝色曲线表示正常模式下的刺激。橙色曲线表示施加局部麻醉后的刺激。横轴代表电流强度。纵轴代表脑磁图幅值。（A）图显示投射手指图谱中拇指区域的脑磁图幅值。（B）图显示投射手指图谱中小指区域的脑磁图幅值。
研究发现，初级躯体感觉皮层响应随投射手指图谱刺激电流的变化而成比例改变，同时受试者报告相应手指的触觉或压力感增强。在刺激皮肤区域施加局部麻醉，既降低了初级躯体感觉皮层响应，也减弱了受试者报告的诱发触觉敏感性。这些神经相关性再次暗示，投射手指图谱皮肤下的感受器与初级躯体感觉皮层手指区域之间存在直接的神经解剖学连接。对此直接连接的一种可能解释是，支配已截肢手手指的外周神经束重新长入了投射手指图谱残肢皮肤下的感受器中。
在本初步研究中，受试者数量和测试次数有限，关于截肢前后初级躯体感觉皮层可塑性变化的若干问题仍有待探讨。然而，本研究确立了方法论，并为未来探索这一令人振奋的技术提供了初步结果。此外，结果证实了从仿生手手指向截肢者提供非侵入式感觉反馈的神经基础。未来工作将把这种自然感觉反馈通路整合到仿生手装置中，以增强截肢者的控制灵活性。
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