《细胞》:绕过眼睛植入幻觉,科学家成功在盲人脑海中呈现指定图像!

2020
05/19

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绕过眼睛,直接植入视觉信号

对于全球 5000 多万盲人来说,重见光明是一个遥不可及的梦想。而为了与盲人朋友进行交互,我们发明了盲文,用各种凸起的字符集合来表达各种意思。但这种通过手指触摸来识别的方式太过低效。

随着脑科学研究的深入,以及脑机接口技术的发展,科学家们开始尝试开发能够让盲人看见东西的高科技设备:视皮层视觉假体。

5 月 14 日,国际顶级期刊
《细胞》杂志发表了一项黑科技成果,来自美国贝勒医学院 Daniel Yoshor 教授带领的研究团队,通过动态电流电极刺激大脑皮层,成功在受试者脑海中呈现指定的图像。




Daniel Yoshor 教授表示:“当我们使用电刺激在患者大脑上直接追踪字母时,他们能够‘看到’预期的字母形状,并正确识别出不同的字母。他们把这些字母描述成发光的斑点或线条,就像正常人看到天空中出现的字母一样。”


绕过眼睛,直接植入视觉信号


我们知道,人类之所以能够看到、听到、摸到周围的世界,是因为我们的眼睛、耳朵、皮肤会将环境刺激信号传输到大脑皮层,并在皮层相应区域产生神经元活动。正是这些神经元的活动,才形成了我们对外部环境的真实感知体验。

当然,大脑皮层偶尔也会错误地形成一些真实世界并不存在的感知体验,比如幻听、幻视。




而对于绝大多数盲人来说,失明主要是由于眼睛或者视神经受损,而大脑与常人无异。因此,数十年来,科学家一直想开发一种设备,直接绕过受损的眼睛和视神经,直接将视觉信息传递给大脑,从而使盲人恢复视力。

这种设备被称为
视皮层视觉假体(visual cortical prosthetic)又名“仿生眼”,是一种将图像信息进行人工处理与编码,通过插入的微电极阵列对视觉神经系统进行刺激,使盲人恢复部分视力的人造器官。

早在 1996 年,来自美国犹他州的世界著名高等学府犹他大学的研究人员就成功开发出了视皮层视觉假体,长度为 1.5 mm 的 100 个针状电极呈 10×10 正方形排列在厚 0.2 mm、面积为 12.96mm2 的金属薄片上。

在当时的实验中,研究人员将电极植入患者脑内,刺激大脑皮层,成功让患者产生了“光幻觉”,患者可以描述研究人员预测的颜色,并且跟随光斑的位置转动眼球。




随后,研究人员又对视皮层视觉假体进行了改良,开发出了经颅刺激的无痛、非入侵式的方法,可以使正常人和盲人产生“光幻觉”,同时也可以用来确定患者的视觉皮层是否正常,用于帮忙筛选合适的“仿生眼”移植者。

然而,即使经过改良,这些视皮层视觉假体依旧不太成功,因为这些方法仅仅将每个电极视为可视显示器中的像素,通过同时刺激了多个电极,参与者虽然可以“看到”到光点分辨颜色,但却无法识别有用的信息,例如文字和图像。


闭上眼,脑海中浮现了字母


为了让视皮层视觉假体能够更好的帮助盲人认识世界,Daniel Yoshor 教授开始着手动态激活电极的研发。而其中的技术原理也很有趣。

小时候,大家都应该玩过一个简单版
“你画我猜”的小游戏 ,一个小伙伴用手在另一个小伙伴的手上或者其他部位写下一个字,然后让另一个人猜这个字是什么。

显然,如果我们直接拿一个汉字或字母往手上按压,另一个小伙伴肯定很难猜出正确答案,这也是此前视皮层视觉假体的局限,无法生成连贯的刺激,让患者产生对字母或图片形成连贯的感知。

而通过手写的方式,我们显然可以更准确的猜出答案。这也是 Daniel Yoshor 教授灵感的来源,
通过动态电极刺激大脑皮层绘制字母或图像的轮廓,从而让患者能够更清楚地识别研究人员想要传达的信息。



为了实现这一目标,研究人员对传统的电极进行了改进,结合了电流转向和动态刺激,通过精准的电流控制,依次激活不同的电极,来实现字母或图片轮廓的绘制。

为了验证这一改良后装置是否可行,研究人员在四个视力受损但没有完全失明,以及 2 个完全失明患者的大脑视觉皮层内植入这种电极,然后依次激活不同的电极,绘制字母“Z”的轮廓,
结果这 6 名受试者都“看到”了字母“Z”的存在

微信视频预览查看

该视频展示了一位盲人受试者,根据对视觉皮层的动态刺激,绘制出脑海中呈现的字母图像

结果表明,盲人的确可以通过使用将视觉信息直接输入大脑的技术,来重新获得识别视觉信息的能力。

不过,这个技术目前还不完美,因为人类大脑视觉皮层中包含了数十亿个神经元,而在这次研究中,
研究人员仅刺激了其中的一小部分,仅仅实现了字母信息的传递,实用性并不够。

对此,本文的第一作者 Michael S. Beauchamp 表示,此次研究仅仅证明了通过视皮层视觉假体的确可以让盲人重新获得“视力”,
下一步,研究团队将和神经工程师合作,开发具有数千个电极的电极整列,改进刺激算法,从而能够精准地刺激大脑视觉皮层的每一个神经,帮助盲人“看到”更复杂的信息,实现他们看清世界的梦想。

说到这,不禁让人细思极恐,都说耳听为虚,其实
眼见也不一定为实 。我们通过肉眼观察让大脑感受到的这个物理世界,会不会也是被虚拟出来的呢?



参考资料:

Cell, Beauchamp et al.: "Dynamic Stimulation of Visual Cortex Produces Form Vision in Sighted and Blind Humans" 

https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.04.033

Roelfsema, Writing to the Mind’s Eye of the Blind, Cell (2020), 
https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.03.014

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关键词:
视觉,皮层,盲人,刺激,研究

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