編者按：為揭開科技工作的神秘面紗，科普中國(guó)前沿科技項(xiàng)目推出“我和我的研究”系列文章，邀請(qǐng)科學(xué)家親自執(zhí)筆，分享科研歷程，打造科學(xué)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。

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味覺(jué)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(duì)于接受過(guò)手術(shù)的舌癌患者來(lái)說(shuō)，味覺(jué)可能會(huì)受到嚴(yán)重影響。這是因?yàn)槭中g(shù)通常會(huì)移除部分舌頭，而移植的組織通常來(lái)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(wú)法嘗出不同的味道。

味覺(jué)能感知到的味道

（圖片來(lái)源：veer圖庫(kù)）

近日，我們團(tuán)隊(duì)——中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所陶虎、周志濤團(tuán)隊(duì)與上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院張志愿、楊馳、白果團(tuán)隊(duì)合作，開發(fā)出一種“電子舌頭”，為這些患者帶來(lái)了新的希望！

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舌癌是如何讓患者失去味覺(jué)的？

人類的味覺(jué)感知依賴于舌頭上的味蕾，它們?nèi)缤⌒汀案袘?yīng)器”，專門用來(lái)檢測(cè)食物的味道。味蕾集中分布在舌頭表面的味蕾乳突中，每個(gè)味蕾內(nèi)包含味覺(jué)感受細(xì)胞。當(dāng)我們進(jìn)食時(shí)，食物中的化學(xué)分子會(huì)溶解在唾液中，并接觸到味蕾內(nèi)的感受細(xì)胞。這些細(xì)胞能夠識(shí)別甜、酸、咸、苦、鮮五種基本味覺(jué)。

隨后，味覺(jué)感受細(xì)胞將這些味覺(jué)信號(hào)傳遞給舌頭上的神經(jīng)，最終通過(guò)神經(jīng)通路將信息傳遞到大腦。大腦負(fù)責(zé)解碼這些信號(hào)，將其轉(zhuǎn)化為具體的味覺(jué)體驗(yàn)，例如“這個(gè)蛋糕很甜”或“這個(gè)檸檬很酸”。正是這種高度復(fù)雜的味覺(jué)感知機(jī)制，為味覺(jué)識(shí)別的技術(shù)發(fā)展帶來(lái)了更高的門檻。

味蕾

（圖片來(lái)源：Wikiwand）

在影響味覺(jué)的諸多因素中，舌癌及其治療對(duì)味覺(jué)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(shù)，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(jué)感知能力。

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

對(duì)舌癌患者而言，味覺(jué)的喪失不僅影響飲食體驗(yàn)，還嚴(yán)重?fù)p害生活質(zhì)量和心理狀態(tài)。為了解決這一問(wèn)題，長(zhǎng)久以來(lái)，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(shù)后重新“嘗”到味道。

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AI早已具備視覺(jué)與聽覺(jué)，味覺(jué)的開發(fā)為何姍姍來(lái)遲？

味覺(jué)與視覺(jué)、聽覺(jué)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(shí)別研究中，視覺(jué)與聽覺(jué)的技術(shù)發(fā)展遙遙領(lǐng)先，而味覺(jué)識(shí)別則明顯落后。

回顧AI在視覺(jué)識(shí)別領(lǐng)域的進(jìn)展，最早的突破來(lái)自圖像識(shí)別技術(shù)，通過(guò)攝像頭捕捉圖像并用算法分析物體、風(fēng)景等的形狀、顏色和其他特征。隨著深度學(xué)習(xí)的興起，視覺(jué)識(shí)別的能力實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍，比如能夠精準(zhǔn)地進(jìn)行人臉識(shí)別。

而在聽覺(jué)識(shí)別方面，AI同樣起步較早，從早期能識(shí)別人類聲音并作出簡(jiǎn)單回應(yīng)的語(yǔ)音助手，到如今能夠在復(fù)雜背景噪聲中清晰分辨人聲，聽覺(jué)識(shí)別技術(shù)也取得了顯著進(jìn)展。

相比之下，味覺(jué)識(shí)別的發(fā)展卻明顯滯后。盡管已有一些化學(xué)傳感器能夠檢測(cè)液體中的特定物質(zhì)，但這些技術(shù)主要應(yīng)用于食品檢測(cè)或藥品質(zhì)量控制領(lǐng)域。

為何味覺(jué)識(shí)別的進(jìn)展遠(yuǎn)不及視覺(jué)和聽覺(jué)？這主要與數(shù)據(jù)采集的難易程度有關(guān)。圖像和音頻數(shù)據(jù)的采集相對(duì)簡(jiǎn)單，且數(shù)據(jù)量豐富，非常適合用于AI的訓(xùn)練和計(jì)算。而味覺(jué)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(guò)程復(fù)雜，而且味覺(jué)感知機(jī)制多樣化，信號(hào)的復(fù)雜程度遠(yuǎn)高于圖像、視頻和音頻。因此，從這些復(fù)雜信號(hào)中解析出有效信息的過(guò)程更具挑戰(zhàn)性，導(dǎo)致味覺(jué)識(shí)別的發(fā)展步伐緩慢。

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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(jué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的啟發(fā)，我們團(tuán)隊(duì)——中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所陶虎、周志濤團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)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(wú)創(chuàng)地記錄患者移植舌瓣的電生理信號(hào)，并具有高時(shí)間和空間分辨率。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)結(jié)合腦機(jī)接口技術(shù)，通過(guò)多模態(tài)電生理特征融合算法，從患者味覺(jué)障礙側(cè)的舌瓣中解碼出甜、酸、咸、苦、鮮五種基本味覺(jué)。

“電子舌頭”示意圖（左）

“電子舌頭”與腦機(jī)接口技術(shù)結(jié)合實(shí)現(xiàn)跨被試高魯棒性的味覺(jué)解碼（右）

（圖片來(lái)源：作者提供）

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

研究人員將五位舌癌患者采集的信號(hào)數(shù)據(jù)結(jié)合起來(lái)訓(xùn)練模型，使“電子舌頭”的“嘗”味準(zhǔn)確度達(dá)到了97.8%，接近人類舌頭的精確水平。

目前，“電子舌頭”的應(yīng)用場(chǎng)景主要集中在舌癌的診斷和治療領(lǐng)域，不僅能夠幫助術(shù)后舌癌患者重建味覺(jué)功能，還可以為因其他原因?qū)е挛队X(jué)喪失的人群提供解決方案。通過(guò)采集味覺(jué)刺激引發(fā)的電信號(hào)，它還能夠輔助醫(yī)生定位舌癌病灶的中心部位，為術(shù)前切除安全緣的規(guī)劃提供安全、無(wú)創(chuàng)、無(wú)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(duì)于已完成舌瓣切除和重建手術(shù)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(cè)重建舌瓣與真實(shí)舌頭的融合程度，幫助評(píng)估手術(shù)成功率和患者的康復(fù)情況，從而為術(shù)后護(hù)理提供科學(xué)依據(jù)。

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未來(lái)，“電子舌頭”還將繼續(xù)升級(jí)

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(jié)合嗅覺(jué)、質(zhì)地、溫度等多種信息，形成復(fù)雜而獨(dú)特的味覺(jué)體驗(yàn)，而這一綜合感知目前仍是“電子舌頭”無(wú)法完全復(fù)制的領(lǐng)域。

未來(lái)，研究人員希望為其賦予實(shí)時(shí)分析與即時(shí)反饋的功能，結(jié)合更先進(jìn)的人工智能算法，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)味覺(jué)解碼，并通過(guò)電刺激反饋幫助患者實(shí)現(xiàn)味覺(jué)感知的仿生重建。

不僅如此，“電子舌頭”的應(yīng)用前景還遠(yuǎn)不止于醫(yī)療領(lǐng)域。在健康管理方面，它可用于味覺(jué)健康的早期篩查與干預(yù)；在娛樂(lè)和元宇宙領(lǐng)域，它可以結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，讓人們遠(yuǎn)程體驗(yàn)不同地區(qū)的美食味道。

要實(shí)現(xiàn)這些愿景，“電子舌頭”需要在硬件、算法和應(yīng)用場(chǎng)景等多方面進(jìn)行技術(shù)迭代。例如，開發(fā)無(wú)線采集系統(tǒng)，推動(dòng)設(shè)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(yīng)對(duì)更復(fù)雜的場(chǎng)景需求。通過(guò)不斷的技術(shù)進(jìn)步，“電子舌頭”將變得更加智能、高效，為醫(yī)療、健康和娛樂(lè)領(lǐng)域帶來(lái)深遠(yuǎn)的影響。