《Experimental Brain Research》：Dynamic thumb localization and its adaptation: quantification with a novel robotic task
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本研究针对拇指本体感觉能力尚不明确的现状，开发了名为SomatoCircleJump的新型机器人任务，量化评估了健康个体在动态条件下的拇指定位能力及其对本体视觉扰动的适应性。研究发现动态拇指定位存在约25°的误差，但能快速利用视觉反馈进行以身体为中心参考系的适应性调整，且与手指本体感觉能力相关。该研究为理解拇指感觉运动控制及神经系统损伤后手功能康复评估提供了新工具和见解。
拇指，这个让我们能够完成抓握、捏取等精细动作的关键角色，贡献了手部功能的至少40%。然而，尽管其功能至关重要，我们对其一项核心能力——感知自身位置和运动的本体感觉——却知之甚少。临床上对拇指本体感觉的评估方法通常较为粗糙，而少数高精度的研究也多局限于静态条件，这与人手在实际活动中动态、多变的本性相去甚远。一个令人惊讶的发现是，先前的研究竟指出手指（包括拇指）的定位是“粗糙且有偏差的”，这与人手令人惊叹的灵巧性形成了鲜明对比。为了更深入地了解拇指在更复杂、动态条件下的本体感觉能力，由Luis Garcia-Fernandez等人组成的研究团队在《Experimental Brain Research》上发表了他们的最新研究成果。
为了填补这一空白，研究人员精心设计了一项名为“SomatoCircleJump”的新颖任务。他们使用一款名为THINGER的机器人，被动地引导参与者的拇指在一个与屏幕平行的垂直平面内做圆周运动，同时隐藏拇指的视觉信息。屏幕上显示一个目标点，参与者的任务是使用另一只手在感觉到拇指与目标点对齐的瞬间按下按钮，就像在“射击”一个沿轨道运行、但看不见的球去击中目标。每次按下按钮后，参与者会立即获得视觉误差反馈——一个小球从他们按下按钮时拇指的实际感知位置跳出，显示他们按得“过早”还是“过晚”。更重要的是，任务中嵌入了一个精巧的“本体视觉旋转扰动”：即拇指的实际位置与屏幕上用于提供反馈的视觉表征之间存在一个18度的顺时针固定旋转偏移，但参与者对此并不知情。研究人员通过系统性地改变拇指运动速度（慢速~30°/s、中速~60°/s、快速~120°/s）、运动圆周的直径（全工作空间~5cm，半工作空间~2.5cm），甚至将任务对象从拇指换到食指，来全面刻画动态拇指定位的特性。他们还引入了一种不同的机器人手指本体感觉评估任务（Crisscross）进行对比。研究共招募了26名健康年轻成年人参与。
研究结果揭示，在经过初始熟悉阶段后，参与者在动态拇指定位任务中的平均绝对误差（AE）约为25.2°，这表明动态拇指定位确实存在相当的误差。然而，这种定位能力展现出了令人印象深刻的鲁棒性，其误差大小并不随拇指运动速度或运动圆周直径的改变而发生显著变化。当研究人员突然改变拇指的旋转方向（例如，从顺时针变为逆时针）时，定位误差会急剧增大，但随后在接下来的20次试验中，误差会迅速减小，表现出典型的快速适应模式。这种适应模式表明，参与者是基于一个以身体（或运动方向）为中心的参考帧来调整其行为的，而非一个固定的、以世界为中心的参考帧。此外，虽然食指在相同任务中的定位误差略小于拇指（趋势不显著），但拇指的定位误差与通过Crisscross任务评估的食指/中指本体感觉误差之间存在显著的正相关（Spearman's ρ=0.61, p=0.001），提示手部不同部位的本体感觉能力可能存在某种共通性。
对试验逐次数据的深入分析清晰地展示了这种适应性学习的过程。在首次接触任务时，由于本体视觉扰动的存在，参与者表现出较大的初始误差。他们随后根据每次尝试后获得的视觉误差反馈，系统性地调整按下按钮的时机，使误差迅速减小。当旋转方向突然反转时，误差再次急剧增大（直接效应），但同样在约20次试验内快速适应。当方向再次换回原始方向时，出现了明显的后效，进一步证实了内在模型的更新。这种适应很可能是内隐的，因为参与者并未意识到扰动的存在。
本研究成功开发并验证了一种量化动态拇指本体感觉及其适应能力的新型机器人范式。研究结果表明，尽管动态拇指定位存在一定误差，但它能够快速利用视觉反馈进行校准，且其适应过程遵循以身体为中心参考系的内部模型更新机制。该研究不仅增进了我们对拇指这一关键手部结构感觉运动功能的理解，所开发的SomatoCircleJump任务未来还有望应用于脑卒中、脑性瘫痪等神经系统疾病导致的手部功能损害患者的本体感觉评估与康复训练中，为精准康复提供新的工具和见解。
