神經假體技術旨在為因神經損傷或其他神經性疾病而失去感知或運動功能的患者提供功能性恢復。對于許多經歷了截肢或患有脊髓損傷的人來說，神經假體裝置可通過與神經系統直接對接，恢復感覺和運動的雙向交流，以提高他們的生活質量。然而，與恢復運動控制相比，恢復自然觸覺體驗面臨著更多挑戰。這是因為觸覺體驗不僅涉及感知物理世界的復雜過程，還需要在空間和時間上同步傳遞信息，以確保感知的精確和自然。

在這種背景下，神經形態技術應運而生，這種技術通過模仿神經元和突觸的自然行為，為神經刺激提供更自然的編碼策略，從而有望提高觸覺反饋的自然度。因此，從這一方面出發，本文提出將神經形態技術納入神經假體可能是開發更自然的人機界面的有效方法，可能導致設備性能，可接受性和可嵌入性的進步。此外，研究者們還強調了持續的挑戰和促進這些先進技術未來集成所需的行動。

一、神經形態技術的優勢

神經形態技術是一種利用模擬/數字混合信號來實現的技術，它能夠模仿神經元和突觸的生物學時間常數，從而在硬件層面上實現神經系統的計算功能。這種技術與傳統的數字處理器不同，后者依賴于逐個步驟處理信息，而神經形態系統則能夠通過內存計算實現同時處理大量信息。神經形態計算的最大特點在于其內存和處理協同分布，這使得其功耗和數據處理效率大大提高，非常適用于實時的神經信號處理。

神經形態硬件在神經假體中的應用可以大致分為以下幾個方面：

1. 處理感知信息：從可穿戴傳感器收集數據并進行實時處理。

2. 神經刺激生成：利用模擬的神經元模型，將處理后的感知信息轉化為用于神經刺激的電信號。

3. 神經系統接口：通過植入的電極將信號傳遞到神經組織，從而恢復用戶的自然觸覺體驗。

通過這種途徑，神經形態系統可以顯著提高神經假體的自然度，并減少由信號處理帶來的延遲，使假體更好地融合到用戶的身體內。

二、神經假體中的主要挑戰

雖然神經形態技術在理論上非常適合用于神經假體，但在實際應用中面臨許多挑戰，這些挑戰主要集中在以下幾個方面：

1. 神經接口

神經接口是神經假體的重要組成部分，它決定了神經假體能否與人體神經系統有效連接。良好的神經接口需要具備以下特征：

生物相容性：電極材料的選擇、大小以及植入方式都會影響界面的生物相容性。電極材料需要是經過認證的醫用標準材料，以減少對周圍組織的機械應力和異物反應。

選擇性：神經接口的選擇性是指電極激活目標神經元而不激活其他神經元的能力。高選擇性可以提高神經刺激的效果，減少不必要的副作用。電極的大小、形狀、配置等都會影響其選擇性。

穩定性和模塊化：神經接口需要在植入后長時間保持穩定，同時電極材料和結構應能抵抗外部環境的影響，確保長期的有效性和耐久性。

2. 神經刺激與感覺編碼

對于感覺神經假體，觸覺恢復的難點在于如何通過電刺激讓用戶感受到與自然觸覺相似的體驗。由于觸覺體驗在空間和時間上具有高度的多維性，恢復觸覺需要同時調節多個參數，例如脈沖頻率、幅度、寬度等。因此，現有的單參數或低復雜度的編碼方法難以滿足自然觸覺的需求。

圖1 | 用于感覺反饋恢復的神經假肢。觸覺系統的神經假肢的主要構建模塊是感知模塊、計算模塊和刺激模塊。感知技術（例如，可穿戴的觸覺傳感器）必須嵌入到機器人假肢中，以便提取與外部世界相關的所有物理交互。然后，由神經形態技術組成的計算模塊必須使用生物模擬編碼算法將傳感器的讀數轉換成電刺激模式。最后，刺激模塊必須通過可植入電極向神經組織注入電流，能夠引發自然的神經激活，允許自然和有信息量的感覺。插圖的部分內容改編自參考文獻32

在神經形態技術的幫助下，研究者可以采用更加復雜的神經激活模式，使得神經刺激與自然感覺的編碼更為接近。例如，采用基于事件的編碼方式，在檢測到特定的外部事件時產生脈沖，從而減少處理的數據量，并提高響應的及時性。

圖2 | 通過神經刺激編碼感覺信息的生物模擬方法。A 基于非生物模擬設計的神經刺激模式的整個流程，用于觸覺反饋恢復。B 基于生物模擬設計的神經刺激模式。在后一種情況下，刺激參數，如頻率、振幅和刺激通道被調制，以引發自然的神經激活模式。插圖的部分內容改編自參考文獻32。

3. 工程難題

神經形態硬件的開發還面臨著諸如低功耗、集成度、以及與生物系統的兼容性等工程難題。現有的神經形態傳感器大多仍停留在概念驗證階段，未能廣泛應用于實際的神經假體中。例如，雖然軟神經形態實現（結合傳感器與微控制器的系統）可以應用于紋理識別和非侵入式的感覺恢復，但其功耗和小型化性能未達到完全符合神經假體的要求。此外，這些設備在實際應用中如何應對長期的使用條件也是一大挑戰。

三、神經形態技術在神經假體中的具體應用

1. 仿生學在觸覺恢復中的應用

仿生學的目標是恢復用戶對物理世界的自然感知。人類皮膚是一個復雜的器官，通過成千上萬的機械感受器感知外部的物理作用。這些感受器將信息傳遞給神經系統，最終形成對外部世界的感知。

神經形態硬件可以模仿這種自然的觸覺編碼過程，通過實時調節電刺激的空間和時間特性，使得神經激活的模式盡可能接近于健康觸覺系統中生物感受器的激活模式。例如，可以通過控制多個刺激電極的參數，來實現更加復雜的神經激活模式，使得用戶的感覺更加自然。

2. 神經假體的閉環控制

閉環控制對于神經假體非常重要，它意味著系統可以根據用戶的動作反饋，實時調整對神經的刺激。例如，假肢在感知到物體的抓取力過大時，可以通過神經刺激傳遞給用戶，提醒其調整動作。這種實時的閉環控制需要神經形態硬件在毫秒級的時間內對數據進行處理和響應，以保證用戶的體驗不會受到延遲的影響。

圖3 | 通過神經形態硬件在神經機器人設備中實現仿生學。描述了一個利用神經形態硬件的閉環仿生神經機器人假肢的完整設計。假肢腳下的壓力事件被嵌入在人工皮膚中的可穿戴傳感器感知。這些傳感器的信息流是神經形態芯片的輸入，該芯片將它們轉換成類似自然觸覺處理的生物啟發式神經刺激模式。神經刺激參數和植入式神經界面的通道的共調節將允許在用戶殘留的神經系統中引發自然的激活模式。電刺激將自然且信息豐富，允許在感覺-運動循環中最大限度地利用機器人假肢。插圖的部分內容改編自參考文獻32。

四、未來的方向與研究機會

神經形態技術的未來方向主要包括以下幾個方面：

1. 提高仿生編碼的復雜性

當前的神經形態實現多集中在單一或少數參數的調節上，而自然觸覺編碼涉及多個參數的綜合作用。未來的研究可以通過提高仿生編碼的復雜性，將自然觸覺的空間和時間特征融入到神經刺激中，從而實現更自然的感覺恢復。

2. 開發全神經形態管道

為了充分利用神經形態技術的優勢，有必要開發完整的神經形態管道，包括傳感器、處理器和刺激器。這種管道可以在信息采集、處理和傳輸的每個環節都采用神經形態的設計理念，從而提高系統的整體效率和集成度。

3. 與現有技術的整合

神經形態技術與現有的神經接口技術之間還存在兼容性問題，例如如何在不增加系統復雜度的情況下將神經形態硬件與植入電極整合。因此，未來的研究可以集中在神經形態硬件的微型化和低功耗實現上，使其能夠更好地融入現有的神經假體體系中。

五、臨床應用的挑戰

在將神經形態技術應用于臨床的過程中，仍然有許多問題需要解決。首先是電極的植入和長期穩定性問題。目前，大多數神經接口依賴于植入電極，而這些電極在長期使用過程中可能會導致組織反應、發炎或電極遷移等問題，影響其穩定性。其次，如何確保神經刺激的選擇性和穩定性，以在不損傷神經的情況下有效傳遞感覺信息，這也是一個挑戰。為了應對這些問題，研究人員提出了一些新的電極材料和涂層，以提高電極的生物相容性和選擇性。

另外，神經系統對持續刺激的適應性也是一個需要關注的問題。在生物系統中，長時間的刺激可能會導致神經元的適應，從而減少對刺激的反應。因此，在設計神經假體的過程中，需要對神經刺激進行動態調節，以避免神經的適應性導致感知失效。

六、結論

神經形態技術為神經假體提供了一種全新的設計思路，通過模仿神經系統的自然行為，使得感覺信息的編碼和傳輸更加自然和高效。盡管面臨著諸多技術和工程上的挑戰，神經形態技術在提高神經假體的自然度、減少功耗和增強用戶體驗方面具有巨大的潛力。

未來，隨著神經形態硬件、傳感器和神經接口的不斷發展，神經假體有望實現更自然、更精確的觸覺和運動控制，從而提高用戶的生活質量。這不僅在臨床康復中具有重要意義，還為人類在探索人機交互和增強人體功能的過程中提供了更多可能性。

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