味覺主要依賴於舌頭上的味蕾，它們能夠感知甜、酸、苦、鹹、鮮等不同味道。然而，對於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份舌頭，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與資訊科技研究所陶虎、周誌濤團隊與上海交通大學醫學院附屬第九人民醫院張誌願、楊馳、白果團隊合作，開發出一種「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於舌頭上的味蕾，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，並接觸到味蕾內的感受細胞。這些細胞能夠辨識甜、酸、鹹、苦、鮮五種基本味覺。
隨後，味覺感受細胞將這些味覺訊號傳遞給舌頭上的神經，最終透過神經通路將資訊傳遞到大腦。大腦負責解碼這些訊號，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，為味覺辨識的技術發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，而被切除的部份往往包含大量味蕾，這直接削弱了患者的味覺感知能力。
此外，用於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，還嚴重損害生活質素和心理狀態。為了解決這一問題，長久以來，研究人員一直都在致力於開發一種「電子舌頭」，幫助患者在術後重新「嘗」到味道。
AI早已具備視覺與聽覺，味覺的開發為何姍姍來遲？
味覺與視覺、聽覺都是人類感知和探索世界的重要感官。在人工智能的感官辨識研究中，視覺與聽覺的技術發展遙遙領先，而味覺辨識則明顯落後。
回顧AI在視覺辨識領域的進展，最早的突破來自影像辨識技術，透過網絡攝影機捕捉影像並用演算法分析物體、風景等的形狀、顏色和其他特征。隨著深度學習的興起，視覺辨識的能力實作了質的飛躍，比如能夠精準地進行人臉辨識。
而在聽覺辨識方面，AI同樣起步較早，從早期能辨識人類聲音並作出簡單回應的語音助手，到如今能夠在復雜背景雜訊中清晰分辨人聲，聽覺辨識技術也取得了顯著進展。
相比之下，味覺辨識的發展卻明顯滯後。盡管已有一些化學傳感器能夠檢測液體中的特定物質，但這些技術主要套用於食品檢測或藥品質素控制領域。
為何味覺辨識的進展遠不及視覺和聽覺？這主要與數據采集的難易程度有關。影像和音訊數據的采集相對簡單，且數據量豐富，非常適合用於AI的訓練和計算。 而味覺資訊的獲取則依賴能夠貼附於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 ，訊號的復雜程度遠高於影像、影片和音訊。因此，從這些復雜訊號中解析出有效資訊的過程更具挑戰性，導致味覺辨識的發展步伐緩慢。
此次研發的「電子舌頭」可成功模擬人舌部份功能！
受到人類味覺系統結構和功能的啟發，我們團隊——中國科學院上海微系統與資訊科技研究所陶虎、周誌濤團隊設計並研制了一種高通道、能夠與舌頭表面完全貼合的柔性電極。 這種電極可以安全、無創地記錄患者移植舌瓣的電生理訊號，並具有高時間和空間分辨率。 同時，團隊結合腦機介面技術，透過多模態電生理特征融合演算法，從患者味覺障礙側的舌瓣中解碼出甜、酸、鹹、苦、鮮五種基本味覺。
「電子舌頭」示意圖（左）
「電子舌頭」與腦機介面技術結合實作跨被試高魯棒性的味覺解碼（右）
（圖片來源：作者提供）
不同於人類舌頭透過味蕾直接接收食物的味道資訊，「電子舌頭」透過采集舌癌患者移植自身體其他部位的重建舌瓣的電訊號，並利用人工智能（AI）技術對訊號進行解碼，從中提取出患者本身無法感知的味道資訊。
研究人員將五位舌癌患者采集的訊號數據結合起來訓練模型，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」的套用場景主要集中在舌癌的診斷和治療領域，不僅能夠幫助術後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。透過采集味覺刺激引發的電訊號，它還能夠輔助醫生定位舌癌病竈的中心部位，為術前切除安全緣的規劃提供安全、無創、無輻射的電生理新參考，研究成果已發表於【自然·通訊】。
此外，對於已完成舌瓣切除和重建手術的患者，「電子舌頭」相比傳統的目視觀察方法，能夠更客觀有效地監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，從而為術後護理提供科學依據。
未來，「電子舌頭」還將繼續升級
盡管「電子舌頭」已經展現出巨大的潛力，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、溫度等多種資訊，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演算法， 實作即時味覺解碼 ，並透過電刺激反饋幫助患者實作味覺感知的仿生重建。
不僅如此，「電子舌頭」的套用前景還遠不止於醫療領域。在健康管理方面，它可用於味覺健康的早期篩查與幹預；在娛樂和元宇宙領域，它可以結合虛擬現實技術， 讓人們遠端體驗不同地區的美食味道 。
要實作這些願景，「電子舌頭」需要在硬件、演算法和套用場景等多方面進行技術叠代。例如，開發無線采集系統，推動器材小型化和可穿戴化，以提升便攜性和舒適性；最佳化人工智能演算法，提高數據處理速度和分析精度，從而應對更復雜的場景需求。透過不斷的技術進步，「電子舌頭」將變得更加智能、高效，為醫療、健康和娛樂領域帶來深遠的影響。
出品：科普中國
作者：周誌濤，王馨兒（中國科學院上海微系統與資訊科技研究所）
監制：中國科普博覽
