介紹完了對(duì)運(yùn)動(dòng)意圖的解碼，接下來(lái)需要對(duì)觸覺(jué)反饋的刺激進(jìn)行編碼。

對(duì)于使用ICMS的任務(wù)，位于假肢手指電機(jī)中的扭矩傳感器提供了用于調(diào)制顱內(nèi)微電刺激脈沖幅度的信號(hào)，其映射關(guān)系其遵循以下方程式：注：扭矩是一個(gè)綜合考慮力與力臂的物理量，它的單位是Nm

在方程式中，T表示用于傳遞握力的扭矩傳感器數(shù)據(jù)，min和max對(duì)應(yīng)最小和最大扭矩讀數(shù)的值，分別為0.1 Nm和0.5 Nm，大致對(duì)應(yīng)于輕觸和緊握。

At表示時(shí)間t對(duì)應(yīng)的脈沖電流幅度，Amin和Amax表示特定電極的刺激幅度范圍。

也就是說(shuō)，如左圖所示，傳感器感受到的扭矩范圍從0.1 Nm到0.5 Nm，這些值被線性映射到從14 μA到64 μA的刺激幅度范圍內(nèi)

確定了刺激電流的范圍之后，接下來(lái)我們介紹這種提供觸覺(jué)反饋的電流種類(lèi)——皮層內(nèi)微電刺激（Intracortical microstimulation，簡(jiǎn)稱(chēng)ICMS）

這種刺激脈沖序列由電流控制、電荷平衡的脈沖組成，每秒傳遞100個(gè)脈沖。先陰極相，后陽(yáng)極相，其中陰極相為200微秒，陽(yáng)極相為400微秒，陽(yáng)極相的幅度設(shè)置為陰極相幅度的一半。相之間由100微秒的間隔期分隔開(kāi)。

之前對(duì)感受皮層植入的電極，能夠引發(fā)被試單個(gè)手指的局部感覺(jué)。如圖所示，圈起來(lái)的部分是參與者繪制的感受投影場(chǎng)?？梢钥吹剑持缚刂苽鞲衅鞯耐渡鋮^(qū)域位于食指近指間關(guān)節(jié)，中指控制傳感器的投射區(qū)域分別位于中指、無(wú)名指和小指。上一頁(yè)提到，假肢手指的電機(jī)力矩與ICMS電流幅度呈線性映射關(guān)系，因此，增加握持力會(huì)增加ICMS電流幅度，進(jìn)而增加刺激的感知強(qiáng)度。被試會(huì)提前訓(xùn)練，學(xué)習(xí)如何解讀ICMS引發(fā)的感覺(jué)。

為了對(duì)假肢性能進(jìn)行測(cè)試，該團(tuán)隊(duì)主要設(shè)置了兩種評(píng)分測(cè)試，并在有ICMS反饋和無(wú)ICMS反饋下分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)

1、行動(dòng)研究手臂測(cè)試ARAT，包括九個(gè)任務(wù)：將八個(gè)不同的物體從桌子的左側(cè)移動(dòng)到位于右側(cè)的一個(gè)抬起的平臺(tái)上，模擬將水從一個(gè)玻璃杯倒入另一個(gè)玻璃杯的任務(wù)。

參與者被要求盡快完成任務(wù)，參與者每次嘗試最多有兩分鐘，每個(gè)物體有三次嘗試機(jī)會(huì)。試驗(yàn)采用3分制進(jìn)行評(píng)分，如果物體從未被觸摸到，得分為零；如果物體被觸摸但參與者無(wú)法完成任務(wù)，得分為一；如果任務(wù)在兩分鐘內(nèi)完成但超過(guò)五秒鐘，得分為二；如果任務(wù)在五秒鐘以下完成，得分為三。得分為三被認(rèn)為與正常人的表現(xiàn)相當(dāng)。最后所有嘗試的得分求和，也就是說(shuō)在一個(gè)回合中，完美得分為27分。

2、物體轉(zhuǎn)移任務(wù)：要求參與者伸手并抓住一個(gè)圓柱形物體，抬起并將其攜帶到右側(cè)的目標(biāo)區(qū)域。在兩分鐘內(nèi)重復(fù)此過(guò)程盡可能多的次數(shù)，并記錄轉(zhuǎn)移過(guò)程中在桌面不同區(qū)域中所花費(fèi)的時(shí)間。

實(shí)驗(yàn)時(shí)間表，展示了實(shí)驗(yàn)日程安排。

藍(lán)色為ICMS使用的時(shí)間，灰色為未使用的時(shí)間。

在每天開(kāi)始時(shí)，使用兩步過(guò)程訓(xùn)練一個(gè)新的解碼器：首先，使用觀察范式訓(xùn)練初始解碼器。然后，參與者在輔助下控制機(jī)械臂，并訓(xùn)練一個(gè)新的解碼器。在解碼過(guò)程中從未使用過(guò)ICMS。

在訓(xùn)練完成解碼器后，參與者執(zhí)行一個(gè)序列任務(wù)，生成基線控制數(shù)據(jù)，從中我們可以確定整體解碼器性能。

最后，參與者進(jìn)行物體轉(zhuǎn)移試驗(yàn)，然后進(jìn)行ARAT試驗(yàn)。

在前四個(gè)實(shí)驗(yàn)日，這些功能評(píng)估使用ICMS進(jìn)行。在最后四個(gè)實(shí)驗(yàn)日，功能評(píng)估沒(méi)有使用ICMS。

（A）當(dāng)提供ICMS反饋時(shí)，ARAT得分得到了明顯提升，使用ICMS反饋的數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)藍(lán)點(diǎn)。紅線表示中位數(shù)得分。

（B）試驗(yàn)時(shí)間的直方圖，藍(lán)色對(duì)應(yīng)有ICMS觸覺(jué)反饋的試驗(yàn)。虛線表示中位數(shù)試驗(yàn)時(shí)間，在ICMS條件下明顯更快。

（C）試驗(yàn)時(shí)間的經(jīng)驗(yàn)累積分布圖，顯示在對(duì)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化的軸上?？v向的紅色虛線表示完成50％的成功試驗(yàn)的時(shí)間點(diǎn)。左側(cè)綠色豎線左側(cè)的數(shù)據(jù)表示在5秒內(nèi)完成的試驗(yàn)。陰影表示使用Greenwood公式計(jì)算的95％置信區(qū)間。

（D）ARAT任務(wù)分階段所花費(fèi)的時(shí)間四分位圖。紅線是中位數(shù)。當(dāng)提供ICMS反饋時(shí)，所有任務(wù)階段的時(shí)間都更短。

ICMS對(duì)物體轉(zhuǎn)移任務(wù)表現(xiàn)的影響。

(A) 轉(zhuǎn)移任務(wù)在不同區(qū)域所用時(shí)間。紅線表示平均值，標(biāo)線表示一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差。使用ICMS反饋時(shí)，在取物體的物體區(qū)和放置物體的目標(biāo)區(qū)所用時(shí)間顯著減少。

(B) 轉(zhuǎn)移任務(wù)平均路徑長(zhǎng)度的分布，計(jì)算方法為總路徑長(zhǎng)度除以轉(zhuǎn)移次數(shù)。使用ICMS反饋時(shí)，平均路徑長(zhǎng)度顯著減少。

(C) 轉(zhuǎn)移任務(wù)工作空間中平均所用時(shí)間的空間分布熱力圖。顏色對(duì)應(yīng)每個(gè)位置的平均所用時(shí)間。在有ICMS刺激的情況下，物體區(qū)附近所用時(shí)間更短，紅色的顏色更淺。

一方面是科研意義：

在這篇論文之前，雖然有一些研究關(guān)注機(jī)械手，也有研究致力于“為被截肢者設(shè)計(jì)可以恢復(fù)部分感覺(jué)功能的神經(jīng)假肢”。然而，四肢癱瘓的群體與被截肢者不同，由于喪失了感知能力，在損傷水平以下的刺激無(wú)法將信息傳遞到它們的體感皮層，先前的這些外周刺激方法也就失效了。

雖然長(zhǎng)期以來(lái)已知對(duì)大腦的體感皮層刺激能夠引發(fā)感覺(jué)，但在植入微電極陣列后，才陸續(xù)揭示了人對(duì)于微刺激的感知特征。

該論文在這些基礎(chǔ)上，研發(fā)了雙向腦機(jī)接口，通過(guò)解碼神經(jīng)記錄中的運(yùn)動(dòng)意圖來(lái)控制機(jī)器人假肢，通過(guò)皮層刺激引發(fā)觸覺(jué)感覺(jué)，這在該領(lǐng)域?qū)儆谑讋?chuàng)性的科研探索。

另一方面是現(xiàn)實(shí)意義：

最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，ICMS誘導(dǎo)的觸覺(jué)感知與自然觸覺(jué)感覺(jué)在抓握狀態(tài)中的作用相似，尤其是減少了reach和grasp的時(shí)間，使得癱瘓者的表現(xiàn)提高到了前所未見(jiàn)的水平。

也就是說(shuō)，人工觸覺(jué)感知大大提高了性能，揭示了模仿已知的生物控制原理會(huì)使任務(wù)性能更接近健全人的能力。

這預(yù)示著，這種模仿已知感覺(jué)運(yùn)動(dòng)回路的工程方法（盡管目前還不完美）將對(duì)未來(lái)BCI的性能產(chǎn)生重大影響。尤其是對(duì)于患有脊髓損傷這種外周神經(jīng)系統(tǒng)不再完整的個(gè)體尤為重要。

最后，是基于論文內(nèi)容對(duì)未來(lái)工作進(jìn)行展望和創(chuàng)新性思考。

在這項(xiàng)研究中，本論文選擇了一種感覺(jué)編碼方案，利用了ICMS的兩個(gè)能力——可變強(qiáng)度和多個(gè)聚焦感知點(diǎn)，以提供能夠引發(fā)感覺(jué)并定位于單個(gè)手指的成比例反饋。

未來(lái)的工作將著眼于研究刺激編碼設(shè)計(jì)（例如，抓握力的比例性和手部動(dòng)作開(kāi)合性），進(jìn)一步提升各種任務(wù)中的性能。

例如，盡管被試在成功抓取物體后很少掉落任何物體，但當(dāng)前的實(shí)驗(yàn)物體都是剛性的，而且抓取物體過(guò)緊沒(méi)有任何懲罰，刺激編碼考慮機(jī)械臂工作時(shí)的握力。

再其次是手部動(dòng)作的開(kāi)合性，通過(guò)設(shè)計(jì)特定的感覺(jué)編碼方案，實(shí)現(xiàn)更精確控制手的姿勢(shì)和抓握力。