味觉主要依赖于舌头上的味蕾，它们能够感知甜、酸、苦、咸、鲜等不同味道。然而，对于接受过手术的舌癌患者来说，味觉可能会受到严重影响。这是因为手术通常会移除部分舌头，而移植的组织通常来自身体的其他部位，这些组织不具备味蕾的功能，因此也就无法尝出不同的味道。
味觉能感知到的味道
（图片来源：veer图库）
近日，我们团队——中国科学院上海微系统与信息技术研究所陶虎、周志涛团队与上海交通大学医学院附属第九人民医院张志愿、杨驰、白果团队合作，开发出一种「电子舌头」，为这些患者带来了新的希望！
舌癌是如何让患者失去味觉的？
人类的味觉感知依赖于舌头上的味蕾，它们如同小型「感应器」，专门用来检测食物的味道。味蕾集中分布在舌头表面的味蕾乳突中，每个味蕾内包含味觉感受细胞。当我们进食时，食物中的化学分子会溶解在唾液中，并接触到味蕾内的感受细胞。这些细胞能够识别甜、酸、咸、苦、鲜五种基本味觉。
随后，味觉感受细胞将这些味觉信号传递给舌头上的神经，最终通过神经通路将信息传递到大脑。大脑负责解码这些信号，将其转化为具体的味觉体验，例如「这个蛋糕很甜」或「这个柠檬很酸」。正是这种高度复杂的味觉感知机制，为味觉识别的技术发展带来了更高的门槛。
味蕾
（图片来源：Wikiwand）
在影响味觉的诸多因素中，舌癌及其治疗对味觉的破坏尤为直接且不可逆。舌癌的治疗通常涉及舌瓣切除和移植手术，而被切除的部分往往包含大量味蕾，这直接削弱了患者的味觉感知能力。
此外，用于修复舌头的移植组织通常来自手臂或腿部的皮肤，这些组织不具备味蕾功能，因此无法感知味觉。
对舌癌患者而言，味觉的丧失不仅影响饮食体验，还严重损害生活质量和心理状态。为了解决这一问题，长久以来，研究人员一直都在致力于开发一种「电子舌头」，帮助患者在术后重新「尝」到味道。
AI早已具备视觉与听觉，味觉的开发为何姗姗来迟？
味觉与视觉、听觉都是人类感知和探索世界的重要感官。在人工智能的感官识别研究中，视觉与听觉的技术发展遥遥领先，而味觉识别则明显落后。
回顾AI在视觉识别领域的进展，最早的突破来自图像识别技术，通过摄像头捕捉图像并用算法分析物体、风景等的形状、颜色和其他特征。随着深度学习的兴起，视觉识别的能力实现了质的飞跃，比如能够精准地进行人脸识别。
而在听觉识别方面，AI同样起步较早，从早期能识别人类声音并作出简单回应的语音助手，到如今能够在复杂背景噪声中清晰分辨人声，听觉识别技术也取得了显著进展。
相比之下，味觉识别的发展却明显滞后。尽管已有一些化学传感器能够检测液体中的特定物质，但这些技术主要应用于食品检测或药品质量控制领域。
为何味觉识别的进展远不及视觉和听觉？这主要与数据采集的难易程度有关。图像和音频数据的采集相对简单，且数据量丰富，非常适合用于AI的训练和计算。 而味觉信息的获取则依赖能够贴附于舌头上的特定传感器，不仅采集过程复杂，而且味觉感知机制多样化 ，信号的复杂程度远高于图像、视频和音频。因此，从这些复杂信号中解析出有效信息的过程更具挑战性，导致味觉识别的发展步伐缓慢。
此次研发的「电子舌头」可成功模拟人舌部分功能！
受到人类味觉系统结构和功能的启发，我们团队——中国科学院上海微系统与信息技术研究所陶虎、周志涛团队设计并研制了一种高通道、能够与舌头表面完全贴合的柔性电极。 这种电极可以安全、无创地记录患者移植舌瓣的电生理信号，并具有高时间和空间分辨率。 同时，团队结合脑机接口技术，通过多模态电生理特征融合算法，从患者味觉障碍侧的舌瓣中解码出甜、酸、咸、苦、鲜五种基本味觉。
「电子舌头」示意图（左）
「电子舌头」与脑机接口技术结合实现跨被试高鲁棒性的味觉解码（右）
（图片来源：作者提供）
不同于人类舌头通过味蕾直接接收食物的味道信息，「电子舌头」通过采集舌癌患者移植自身体其他部位的重建舌瓣的电信号，并利用人工智能（AI）技术对信号进行解码，从中提取出患者本身无法感知的味道信息。
研究人员将五位舌癌患者采集的信号数据结合起来训练模型，使 「电子舌头」的「尝」味准确度达到了97.8%，接近人类舌头的精确水平 。
目前，「电子舌头」的应用场景主要集中在舌癌的诊断和治疗领域，不仅能够帮助术后舌癌患者重建味觉功能，还可以为因其他原因导致味觉丧失的人群提供解决方案。通过采集味觉刺激引发的电信号，它还能够辅助医生定位舌癌病灶的中心部位，为术前切除安全缘的规划提供安全、无创、无辐射的电生理新参考，研究成果已发表于【自然·通讯】。
此外，对于已完成舌瓣切除和重建手术的患者，「电子舌头」相比传统的目视观察方法，能够更客观有效地监测重建舌瓣与真实舌头的融合程度，帮助评估手术成功率和患者的康复情况，从而为术后护理提供科学依据。
未来，「电子舌头」还将继续升级
尽管「电子舌头」已经展现出巨大的潜力，但目前它仅具备单向采集能力。且与人类舌头相比，人类舌头不仅可以尝味道，还能结合嗅觉、质地、温度等多种信息，形成复杂而独特的味觉体验，而这一综合感知目前仍是「电子舌头」无法完全复制的领域。
未来，研究人员希望为其赋予实时分析与即时反馈的功能，结合更先进的人工智能算法， 实现实时味觉解码 ，并通过电刺激反馈帮助患者实现味觉感知的仿生重建。
不仅如此，「电子舌头」的应用前景还远不止于医疗领域。在健康管理方面，它可用于味觉健康的早期筛查与干预；在娱乐和元宇宙领域，它可以结合虚拟现实技术， 让人们远程体验不同地区的美食味道 。
要实现这些愿景，「电子舌头」需要在硬件、算法和应用场景等多方面进行技术迭代。例如，开发无线采集系统，推动设备小型化和可穿戴化，以提升便携性和舒适性；优化人工智能算法，提高数据处理速度和分析精度，从而应对更复杂的场景需求。通过不断的技术进步，「电子舌头」将变得更加智能、高效，为医疗、健康和娱乐领域带来深远的影响。
出品：科普中国
作者：周志涛，王馨儿（中国科学院上海微系统与信息技术研究所）
监制：中国科普博览
