让盲人“重见光明”,人工视觉的植入物或许可以做到

作者:Nicoletta Lanese来源:环球科学发布时间:2020-05-19

对于许多盲人患者来说,能够辨认家庭成员的模样,或被允许更独立自主地生活,将会是一个极大的进步。

让盲人看见字母形状听起来有点不真实,但最近有科学家真的实现了这一技术。研究利用一种被称作“视幻觉”的现象,通过植入电极和电刺激,就可以使盲人“看见”研究者绘制的图案。

近期,科学家通过将电信号传入一些人的大脑中,使他们看到了不存在的字母。 根据他们发表在《细胞》杂志上的研究,这项实验对视力正常和成年后失明的人均有效。尽管这项技术仍处于早期阶段,但这种植入设备在未来有望被用于刺激大脑,并在一定程度上恢复个体的视力。

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被称为人工视觉的植入物会被放置在视觉皮层上,研究人员再通过刺激能追踪描述图形的电信号模式,受试者就可以由此“看到”图形。而更先进的版本类似于现在的耳蜗植入物,后者能通过电极刺激内耳神经,帮助增强佩戴者的听力。

贝勒医学院(Baylor College of Medicine)的神经学家迈克尔·波尚(Michael Beauchamp)和神经外科医生丹尼尔·约索(Daniel Yoshor)博士表示:“这种设备的早期版本可以探测所遇到图形的轮廓。”约索将于今年夏天在宾夕法尼亚大学佩雷尔曼医学院(Perelman School of Medicine)任职。“对于许多盲人患者来说,能够辨认家庭成员的模样,或被允许更独立自主地生活,将会是一个极大的进步。”而目前的研究是朝着实现这种技术迈出的一小步。

光幻视的作用

研究之所以能实现这一效果,主要是利用电流刺激大脑,使受试者产生了光幻视(phosphenes),该现象是指人们有时在没有任何实际光线进入眼睛的情况下感知到的微小光点,而研究就是用光幻视来创造这些字母。与光线从房间里的物体上反射进入你的眼睛不同,对于视觉系统来说,光幻视看起来会有点奇怪:因为光点不在某个地方时,你却“看到”了这些光点。例如,当你在黑暗的房间里揉眼睛时,你可能看到过光幻视,这种现象通常被描述为“眼冒金星”。            

马萨诸塞州总医院人工视觉实验室负责人、哈佛大学神经外科助理教授约翰·佩扎里斯(John Pezaris)表示,揉眼睛时出现星星的现象也被称为“机械性光幻视”(mechanical phosphenes),最早是由一位古希腊哲学家和生理学家阿尔克梅恩(Alcmaeon)描述的,而在此几个世纪后的1755年,法国医生查尔斯勒罗伊(Charles Le Roy)发现,即使是盲人,被用电刺激大脑后也能产生生动的光幻视。

佩扎里斯说,上世纪60年代,科学家们开始提出人工视觉的想法。那时,研究人员就开始在视觉皮层植入电极,试图让对象产生光幻视,并将这种幻视组合成符合逻辑的形状。科学家们假设,如果他们刺激大脑皮层的多个点,就会出现多个光幻视,并会“自动结合”成可被理解的形式,就像电脑屏幕上的许多单个像素一样,可以组合成特定的图案。

波尚和约索表示:“但大脑远比电脑显示器复杂,由于某些未知原因,从光幻视的组合中产生可识别的形式实际上非常困难。”本文作者们在自己的研究中遇到了相同的阻碍,但找到了一种克服这种障碍的方法。

在大脑中绘图

研究人员在5名受试者的视觉皮质上放置了一系列电极,其中3人视力正常,2人失明。具体地说,这些电极位于大脑被称作V1的脑区,在这里,视网膜信息会被进行早期处理。试验中,视力正常的人为了治疗癫痫,已经接受过大脑植入电极的手术,目的是监测他们的大脑的癫痫活动。而盲人参加了另一项人工视觉的研究,并在那时植入了电极。            

V1脑区的工作原理类似于地图,而这张地图的不同区域会对应我们视野的不同区域,例如右上角或左下角。研究人员发现,如果一次激活一个电极,受试者确实能在其预测区域内看到一个光幻视(针尖状的光)出现。但是,如果多个电极同时工作,单个光幻视仍然存在,却并没有组合成有意义的图形。

因此,作者尝试了一种不同的策略;他们假设,通过追踪几个电极的电流,他们可以在大脑表面描绘特定的图案模式,从而让大脑产生可供识别的形状。“大脑有无与伦比的探测环境变化的能力,”因此他们推测,我们的大脑能够追踪一个接一个出现的光幻视点组成的图案模式。

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“人工耳蜗使用类似的策略来产生不同的音调,”荷兰神经科学研究所所长皮尔特·罗尔夫塞马(Pieter Roelfsema)表示, “假设电极1产生的音高较高,电极2的较低,那么只要引导电流通过两个电极,你可以在电极1和电极2之间得到这两者音高的中间值。”

研究人员发现,他们可以对视觉做一些类似的事情;他们可以在两个独立电极的位置之间产生光幻视,从而连接起两个电极。利用这项技术,作者在V1的表面可以画出字母形状,如“W”、“S”和“Z”;当然,这些形状必须上下颠倒,这是正常情况下视觉信息从眼睛到达视觉皮层的方式。

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该图显示了由不同的动态刺激模式创建的不同字母形状(W和Z),刺激模式在左侧,受试者绘制的图形在右侧。(图片来源:Beauchamp等人/《细胞》)

利用这一方法,受试者们真的可以看到被描绘的形状,并在触摸屏上准确地再现它们。当参与研究的人开始看到他们脑海中形成的字母时,“我想他们至少和我们一样,也可能比我们更兴奋!”波尚和约索说。

有待发展的技术

“在这项研究能够应用到人工视觉上之前,仍存在许多挑战,”罗尔夫赛马在给《细胞》的一封信中写道。

作者表示,在未来,人工视觉可能需要包含成千上万个电极,而这项研究只使用了几十个。此外,他们还说:“这些电极可以设计成穿透皮层的方案,使电极尖端更接近位于皮层表面下几百微米处的神经元。”

佩扎里斯说,穿透大脑皮层的电极产生精确的光幻视所需的电场,比大脑表面电极所需的电场要弱得多。他指出,表面电极需要利用强电场到达组织内的脑细胞,有时这会导致相邻或重叠的细胞同时受到刺激。

罗尔夫赛马表示,为了让人工视觉工作,需要发明能长时间与脑组织相容的新电极。他说:“目前输送电信号到大脑的电极会造成大脑损伤,而且作用时间不够长。然而,对于某些患者来说,表面电极可能效果更好,这要取决于将电极植入大脑深处的风险有多大。”他表示,导致失明的原因有很多种,有些患者可能更适合植入深层电极,有些患者更适合大脑表层电极,还有一些患者可能更适合直接植入视网膜假体,而眼部手术就能完成这件事。

最重要的是,“要使人工视觉设备真正对盲人有用,必须能切实提高他们的生活质量,”波尚和约索说。这意味着,除了优化物理电极及其操作方式外,科学家还必须开发可靠的软件,帮助过滤和处理用户的视觉信息。一旦完成,整个系统必须足够实用,人们才可能去真正使用它。

——《原标题:没有视觉也能看清字母,大脑中的电极让盲人“重见光明”》

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