文献分享 | 让盲人“看见”字母：动态电流转向的技术突破

 一、导读

长期以来，人们一直提出视觉皮层假体（CVP）作为恢复盲人视力的一种策略：假设电刺激视觉皮层产生的小光点的视觉感知能够结合成视觉感知的连贯形式，如视频屏幕上的像素那样。美国得克萨斯州休斯敦贝勒医学院神经外科、加利福尼亚大学洛杉矶分校神经外科的研究团队提出一种替代策略，通过以动态顺序刺激电极以在视觉皮层表面上追踪形状，盲人可以“看见”这些字母并快速识别和描绘出来。该项成果被发表在2020年5月《Cell》期刊上。

二、介绍

在大多数获得性失明患者中，只有眼睛或视神经受损，这激发了开发视觉皮层假体（VCP）的希望，即一种绕开眼睛和视神经将信息直接从相机传输到视觉皮层的设备。VCP依赖于这样一个事实，使用电流刺激视觉皮层可以产生一种小闪光的感觉，称为光幻视。由于视觉皮层的视网膜定位组织，在皮层不同位置植入多个电极阵列可以产生多个光幻视，每个受刺激的电极在一个可预测的视野位置贡献一个光幻视。生物医学工程的最新进展产生了包含数十个可植入视觉皮层的无线供电和控制设备，由此带来全球范围内对临床可用的VCP的开发热潮复苏。

尽管有这些令人印象深刻的技术进步，但用于产生视觉感知的刺激范式并没有相应的进步，基本假设仍是类似于计算机显示器中的像素——单个光幻视可以聚合成连贯的图像。实际情况却是，大脑比计算机复杂得多。在早期VCP测试中，多个电极刺激只产生了多个孤立的光幻视感知，这些光幻视并没有结合成连贯的形式。对此，研究人员提出了一种新的刺激范式，可以通过类比手掌上追踪字母来解释：为了传达字母“Z”，可以将多个以“Z”字母图案排列的探针按入手掌，然而，这种技术会产生一种没有连贯形式的的触摸感觉，对此，研究人员提出可以按照与“Z”形匹配的顺序动态移动单个探针，便可产生一种连贯的字母感知。

现有VCP使用电刺激的范式类似于多探针方法：一次刺激多个电极，或者在时间上间隔刺激一次，但结果仍是感知不连贯；而研究人员提出的新范式：动态电流转向——将电流转向和动态刺激相结合，类似在手掌上追踪字母，只是所需的字母是通过以动态顺序刺激电极在皮层表面形成的。

三、结果

结果显示，在盲人参与者中，受到这种动态电流序列刺激后，参与者能够轻松地在触摸屏上重现每个字母，并且感知到的字母的形状和实际形状之间存在惊人的匹配度。在其中一组 28 个字符测试中，23 个字符被盲人正确描绘出来，正确率达 82％，另一组测试中参与者正确识别出 40 种字符中的 37 种，正确率高达 93％。

此外，识别正确率还跟刺激率有关系。在第一组刺激率实验中，电极受到刺激，使它们产生在视野中向上或向下的画线知觉，每个序列的刺激时间为 200 毫秒，随后是 500 毫秒的响应窗口，在 30 次试验序列中，参与者准确地识别了 26 种形式，正确率为 87％；另外一组实验中，用动态电流刺激产生 “U” 或“C”的字母形状，刺激时间为 700 毫秒，随后是 1300 毫秒的响应窗口，在 36 项试验的序列中，盲人正确鉴定出 33 种形式，正确率为 92%。

四、展望

研究人员表示，“我们的工作代表了几十年来为实现构建视觉皮层假体的目标，刺激人类和非人类灵长类动物视觉皮层的延续；动态刺激和电流转向也是建立在此前在人类神经假肢中创建最佳神经刺激策略的努力之上。”例如，电流转向已应用于视网膜植入物、人工耳蜗和深部脑刺激器。技术的进步，包括使用放置在皮层表面或者穿透大脑皮层的高密度电极网格进行电刺激，以及聚焦超声技术的非电刺激，有望显著提高刺激人类皮层的能力。作为通用刺激范式，动态刺激和电流转向可以与这些技术中任何一种结合使用，以帮助恢复盲人的视觉功能，并允许在其他皮层假体应用中更有效地转换信息。

图一：视觉皮层假体刺激范式：静态刺激与动态刺激的效果差异

A：要通过触摸传达字母，可以使用静态触觉刺激将多个探针（蓝点）压入手掌，形成静态字母的形状。然而，这导致了一种无定形的感知（思想泡泡中的白雾）；

B：使用动态触觉刺激来动态追踪字母的形状，使用单个探针（单个蓝点）在手掌上按所需形状匹配顺序（带箭头的黑线）追踪，从而产生连贯的字母感知（思想泡泡中的“Z”）；

C：在视觉皮层假体中，电极网格被植入视觉皮层上。对于静态电流刺激同时传递到目标电极（蓝色圆圈）而不是非目标电极（灰色圆圈），从而产生无定形的感知；

D：对于动态电流转向，电流以所需形状（白色箭头）相匹配的时间顺序传递到电极网格，从而产生连贯的视觉感知。

图二：不同字符的相关刺激电位和测试数据

A：参与者将左手食指放在一个触觉固定点上，并用右手食指在触摸屏上追踪视觉感知；

B：参与者右枕叶表面模型的内侧视图，虚线显示距状沟，圆圈显示电极位置和标签；

C：蓝色椭圆显示通过刺激单个电极产生的光幻视的参与者绘图，标签对应于B中的电极；

D：动态刺激脉冲图；

E：由四种不同的动态刺激模式创建的四种不同的字母形状。每个形状的左面板显示刺激的时间序列（由黑色箭头连接的数字表示的电极）。每个形状的右侧面板显示了每个刺激模式的参与者绘图以及口头标签；

F：每种刺激模式的十次不同试验的参与者图纸，每个试验用不同的颜色表示；

G：使用多维比例分析对参与者为每个刺激模式的每次试验生成的图纸进行量化。每个字母对应于相应刺激模式的一次试验。粗体字表示k-means分析中每个聚类的质心；

H：两种不同呈现率下的表格识别准确性。

参考文献及来源：

Beauchamp, Michael S et al. “Dynamic Stimulation of Visual Cortex Produces Form Vision in Sighted and Blind Humans.” Cell vol. 181,4 (2020): 774-783.e5. doi:10.1016/j.cell.2020.04.033

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