科學探索 | 沒有視覺也能看清字母，大腦中的電極讓盲人“重見光明”

圖片來源：Credit: M. S. Beauchamp et al./Cell
讓盲人看見字母形狀聽起來有點不真實，但最近有科學家真的實現了這一技術。研究利用一種被稱作“視幻覺”的現象，通過植入電極和電刺激，就可以使盲人“看見”研究者繪製的圖案。
近期，科學家通過將電信號傳入一些人的大腦中，使他們看到了不存在的字母。 根據他們發表在《細胞》雜誌上的研究，這項實驗對視力正常和成年後失明的人均有效。盡管這項技術仍處於早期階段，但這種植入設備在未來有望被用於刺激大腦，並在一定程度上恢複個體的視力。
被稱為人工視覺的植入物會被放置在視覺皮層上，研究人員再通過刺激能追蹤描述圖形的電信號模式，受試者就可以由此“看到”圖形。而更先進的版本類似於現在的耳蝸植入物，後者能通過電極刺激內耳神經，幫助增強佩戴者的聽力。
貝勒醫學院（Baylor College of Medicine）的神經學家邁克爾·波尚（Michael Beauchamp）和神經外科醫生丹尼爾·約索（Daniel Yoshor）博士表示：“這種設備的早期版本可以探測所遇到圖形的輪廓。”約索將於今年夏天在賓夕法尼亞大學佩雷爾曼醫學院（Perelman School of Medicine）任職。“對於許多盲人患者來說，能夠辨認家庭成員的模樣，或被允許更獨立自主地生活，將會是一個極大的進步。”而目前的研究是朝著實現這種技術邁出的一小步。
光幻視的作用
研究之所以能實現這一效果，主要是利用電流刺激大腦，使受試者產生了光幻視（phosphenes），該現象是指人們有時在沒有任何實際光線進入眼睛的情況下感知到的微小光點，而研究就是用光幻視來創造這些字母。與光線從房間裏的物體上反射進入你的眼睛不同，對於視覺係統來說，光幻視看起來會有點奇怪：因為光點不在某個地方時，你卻“看到”了這些光點。例如，當你在黑暗的房間裏揉眼睛時，你可能看到過光幻視，這種現象通常被描述為“眼冒金星”。
馬薩諸塞州總醫院人工視覺實驗室負責人、哈佛大學神經外科助理教授約翰·佩紮裏斯（John Pezaris）表示，揉眼睛時出現星星的現象也被稱為“機械性光幻視”（mechanical phosphenes），最早是由一位古希臘哲學家和生理學家阿爾克梅恩（Alcmaeon）描述的，而在此幾個世紀後的1755年，法國醫生查爾斯勒羅伊（Charles Le Roy）發現，即使是盲人，被用電刺激大腦後也能產生生動的光幻視。
佩紮裏斯說，上世紀60年代，科學家們開始提出人工視覺的想法。那時，研究人員就開始在視覺皮層植入電極，試圖讓對象產生光幻視，並將這種幻視組合成符合邏輯的形狀。科學家們假設，如果他們刺激大腦皮層的多個點，就會出現多個光幻視，並會“自動結合”成可被理解的形式，就像電腦屏幕上的許多單個像素一樣，可以組合成特定的圖案。
波尚和約索表示：“但大腦遠比電腦顯示器複雜，由於某些未知原因，從光幻視的組合中產生可識別的形式實際上非常困難。”本文作者們在自己的研究中遇到了相同的阻礙，但找到了一種克服這種障礙的方法。
在大腦中繪圖
研究人員在5名受試者的視覺皮質上放置了一係列電極，其中3人視力正常，2人失明。具體地說，這些電極位於大腦被稱作V1的腦區，在這裏，視網膜信息會被進行早期處理。試驗中，視力正常的人為了治療癲癇，已經接受過大腦植入電極的手術，目的是監測他們的大腦的癲癇活動。而盲人參加了另一項人工視覺的研究，並在那時植入了電極。
V1腦區的工作原理類似於地圖，而這張地圖的不同區域會對應我們視野的不同區域，例如右上角或左下角。研究人員發現，如果一次激活一個電極，受試者確實能在其預測區域內看到一個光幻視（針尖狀的光）出現。但是，如果多個電極同時工作，單個光幻視仍然存在，卻並沒有組合成有意義的圖形。
因此，作者嚐試了一種不同的策略；他們假設，通過追蹤幾個電極的電流，他們可以在大腦表麵描繪特定的圖案模式，從而讓大腦產生可供識別的形狀。“大腦有無與倫比的探測環境變化的能力，”因此他們推測，我們的大腦能夠追蹤一個接一個出現的光幻視點組成的圖案模式。
“人工耳蝸使用類似的策略來產生不同的音調，”荷蘭神經科學研究所所長皮爾特·羅爾夫塞馬（Pieter Roelfsema）表示， “假設電極1產生的音高較高，電極2的較低，那麽隻要引導電流通過兩個電極，你可以在電極1和電極2之間得到這兩者音高的中間值。”
研究人員發現，他們可以對視覺做一些類似的事情；他們可以在兩個獨立電極的位置之間產生光幻視，從而連接起兩個電極。利用這項技術，作者在V1的表麵可以畫出字母形狀，如“W”、“S”和“Z”；當然，這些形狀必須上下顛倒，這是正常情況下視覺信息從眼睛到達視覺皮層的方式。
利用這一方法，受試者們真的可以看到被描繪的形狀，並在觸摸屏上準確地再現它們。當參與研究的人開始看到他們腦海中形成的字母時，“我想他們至少和我們一樣，也可能比我們更興奮！”波尚和約索說。
有待發展的技術
“在這項研究能夠應用到人工視覺上之前，仍存在許多挑戰，”羅爾夫賽馬在給《細胞》的一封信中寫道。
作者表示，在未來，人工視覺可能需要包含成千上萬個電極，而這項研究隻使用了幾十個。此外，他們還說：“這些電極可以設計成穿透皮層的方案，使電極尖端更接近位於皮層表麵下幾百微米處的神經元。”
佩紮裏斯說，穿透大腦皮層的電極產生精確的光幻視所需的電場，比大腦表麵電極所需的電場要弱得多。他指出，表麵電極需要利用強電場到達組織內的腦細胞，有時這會導致相鄰或重疊的細胞同時受到刺激。
羅爾夫賽馬表示，為了讓人工視覺工作，需要發明能長時間與腦組織相容的新電極。他說：“目前輸送電信號到大腦的電極會造成大腦損傷，而且作用時間不夠長。然而，對於某些患者來說，表麵電極可能效果更好，這要取決於將電極植入大腦深處的風險有多大。”他表示，導致失明的原因有很多種，有些患者可能更適合植入深層電極，有些患者更適合大腦表層電極，還有一些患者可能更適合直接植入視網膜假體，而眼部手術就能完成這件事。
最重要的是，“要使人工視覺設備真正對盲人有用，必須能切實提高他們的生活質量，”波尚和約索說。這意味著，除了優化物理電極及其操作方式外，科學家還必須開發可靠的軟件，幫助過濾和處理用戶的視覺信息。一旦完成，整個係統必須足夠實用，人們才可能去真正使用它。
撰文：Nicoletta Lanese
翻譯：賀白
編輯：楊心舟
文章來源：科學美國人
文章鏈接：https://www.scientificamerican.com/article/blind-people-could-see-letters-that-scientists-drew-on-their-brains-with-electricity/


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