失去味覺的舌癌患者，借助這款“電子舌頭”可重建味覺

出品：科普中國

作者：周志濤，王馨兒（中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所）

監(jiān)制：中國科普博覽

編者按：為揭開科技工作的神秘面紗，科普中國前沿科技項目推出“我和我的研究”系列文章，邀請科學家親自執(zhí)筆，分享科研歷程，打造科學世界。讓我們跟隨站在科技最前沿的探索者們，開啟一段段充滿熱情、挑戰(zhàn)與驚喜的旅程。

味覺主要依賴于舌頭上的味蕾，它們能夠感知甜、酸、苦、咸、鮮等不同味道。然而，對于接受過手術的舌癌患者來說，味覺可能會受到嚴重影響。這是因為手術通常會移除部分舌頭，而移植的組織通常來自身體的其他部位，這些組織不具備味蕾的功能，因此也就無法嘗出不同的味道。

味覺能感知到的味道

（圖片來源：veer圖庫）

近日，我們團隊——中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所陶虎、周志濤團隊與上海交通大學醫(yī)學院附屬第九人民醫(yī)院張志愿、楊馳、白果團隊合作，開發(fā)出一種“電子舌頭”，為這些患者帶來了新的希望！

舌癌是如何讓患者失去味覺的？

人類的味覺感知依賴于舌頭上的味蕾，它們如同小型“感應器”，專門用來檢測食物的味道。味蕾集中分布在舌頭表面的味蕾乳突中，每個味蕾內包含味覺感受細胞。當我們進食時，食物中的化學分子會溶解在唾液中，并接觸到味蕾內的感受細胞。這些細胞能夠識別甜、酸、咸、苦、鮮五種基本味覺。

隨后，味覺感受細胞將這些味覺信號傳遞給舌頭上的神經(jīng)，最終通過神經(jīng)通路將信息傳遞到大腦。大腦負責解碼這些信號，將其轉化為具體的味覺體驗，例如“這個蛋糕很甜”或“這個檸檬很酸”。正是這種高度復雜的味覺感知機制，為味覺識別的技術發(fā)展帶來了更高的門檻。

味蕾

（圖片來源：Wikiwand）

在影響味覺的諸多因素中，舌癌及其治療對味覺的破壞尤為直接且不可逆。舌癌的治療通常涉及舌瓣切除和移植手術，而被切除的部分往往包含大量味蕾，這直接削弱了患者的味覺感知能力。

此外，用于修復舌頭的移植組織通常來自手臂或腿部的皮膚，這些組織不具備味蕾功能，因此無法感知味覺。

對舌癌患者而言，味覺的喪失不僅影響飲食體驗，還嚴重損害生活質量和心理狀態(tài)。為了解決這一問題，長久以來，研究人員一直都在致力于開發(fā)一種“電子舌頭”，幫助患者在術后重新“嘗”到味道。

AI早已具備視覺與聽覺，味覺的開發(fā)為何姍姍來遲？

味覺與視覺、聽覺都是人類感知和探索世界的重要感官。在人工智能的感官識別研究中，視覺與聽覺的技術發(fā)展遙遙領先，而味覺識別則明顯落后。

回顧AI在視覺識別領域的進展，最早的突破來自圖像識別技術，通過攝像頭捕捉圖像并用算法分析物體、風景等的形狀、顏色和其他特征。隨著深度學習的興起，視覺識別的能力實現(xiàn)了質的飛躍，比如能夠精準地進行人臉識別。

而在聽覺識別方面，AI同樣起步較早，從早期能識別人類聲音并作出簡單回應的語音助手，到如今能夠在復雜背景噪聲中清晰分辨人聲，聽覺識別技術也取得了顯著進展。

相比之下，味覺識別的發(fā)展卻明顯滯后。盡管已有一些化學傳感器能夠檢測液體中的特定物質，但這些技術主要應用于食品檢測或藥品質量控制領域。

為何味覺識別的進展遠不及視覺和聽覺？這主要與數(shù)據(jù)采集的難易程度有關。圖像和音頻數(shù)據(jù)的采集相對簡單，且數(shù)據(jù)量豐富，非常適合用于AI的訓練和計算。而味覺信息的獲取則依賴能夠貼附于舌頭上的特定傳感器，不僅采集過程復雜，而且味覺感知機制多樣化，信號的復雜程度遠高于圖像、視頻和音頻。因此，從這些復雜信號中解析出有效信息的過程更具挑戰(zhàn)性，導致味覺識別的發(fā)展步伐緩慢。

此次研發(fā)的“電子舌頭”可成功模擬人舌部分功能！

受到人類味覺系統(tǒng)結構和功能的啟發(fā)，我們團隊——中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所陶虎、周志濤團隊設計并研制了一種高通道、能夠與舌頭表面完全貼合的柔性電極。這種電極可以安全、無創(chuàng)地記錄患者移植舌瓣的電生理信號，并具有高時間和空間分辨率。同時，團隊結合腦機接口技術，通過多模態(tài)電生理特征融合算法，從患者味覺障礙側的舌瓣中解碼出甜、酸、咸、苦、鮮五種基本味覺。

“電子舌頭”示意圖（左）

“電子舌頭”與腦機接口技術結合實現(xiàn)跨被試高魯棒性的味覺解碼（右）

（圖片來源：作者提供）

不同于人類舌頭通過味蕾直接接收食物的味道信息，“電子舌頭”通過采集舌癌患者移植自身體其他部位的重建舌瓣的電信號，并利用人工智能（AI）技術對信號進行解碼，從中提取出患者本身無法感知的味道信息。

研究人員將五位舌癌患者采集的信號數(shù)據(jù)結合起來訓練模型，使**“電子舌頭”的“嘗”味準確度達到了97.8%，接近人類舌頭的精確水平。**

目前，“電子舌頭”的應用場景主要集中在舌癌的診斷和治療領域，不僅能夠幫助術后舌癌患者重建味覺功能，還可以為因其他原因導致味覺喪失的人群提供解決方案。通過采集味覺刺激引發(fā)的電信號，它還能夠輔助醫(yī)生定位舌癌病灶的中心部位，為術前切除安全緣的規(guī)劃提供安全、無創(chuàng)、無輻射的電生理新參考，研究成果已發(fā)表于《自然·通訊》。

此外，對于已完成舌瓣切除和重建手術的患者，“電子舌頭”相比傳統(tǒng)的目視觀察方法，能夠更客觀有效地監(jiān)測重建舌瓣與真實舌頭的融合程度，幫助評估手術成功率和患者的康復情況，從而為術后護理提供科學依據(jù)。

未來，“電子舌頭”還將繼續(xù)升級

盡管“電子舌頭”已經(jīng)展現(xiàn)出巨大的潛力，但目前它僅具備單向采集能力。且與人類舌頭相比，人類舌頭不僅可以嘗味道，還能結合嗅覺、質地、溫度等多種信息，形成復雜而獨特的味覺體驗，而這一綜合感知目前仍是“電子舌頭”無法完全復制的領域。

未來，研究人員希望為其賦予實時分析與即時反饋的功能，結合更先進的人工智能算法，實現(xiàn)實時味覺解碼，并通過電刺激反饋幫助患者實現(xiàn)味覺感知的仿生重建。

不僅如此，“電子舌頭”的應用前景還遠不止于醫(yī)療領域。在健康管理方面，它可用于味覺健康的早期篩查與干預；在娛樂和元宇宙領域，它可以結合虛擬現(xiàn)實技術，讓人們遠程體驗不同地區(qū)的美食味道。

要實現(xiàn)這些愿景，“電子舌頭”需要在硬件、算法和應用場景等多方面進行技術迭代。例如，開發(fā)無線采集系統(tǒng)，推動設備小型化和可穿戴化，以提升便攜性和舒適性；優(yōu)化人工智能算法，提高數(shù)據(jù)處理速度和分析精度，從而應對更復雜的場景需求。通過不斷的技術進步，“電子舌頭”將變得更加智能、高效，為醫(yī)療、健康和娛樂領域帶來深遠的影響。