【原】《科學(xué)》：植入視覺！大腦植入物繞過(guò)眼睛可使盲人重見光明，人類治愈失明僅一步之遙

學(xué)術(shù)頭條 2020-12-04

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俗話說(shuō)，耳聽為虛眼見為實(shí)，但在各種科幻技術(shù)不斷沖進(jìn)現(xiàn)實(shí)的今天，你敢說(shuō)你看到的就是真的嗎？

近日，荷蘭神經(jīng)科學(xué)研究所 (NIN) 的一項(xiàng)最新發(fā)現(xiàn)表明，通過(guò)在大腦視覺皮層中植入新開發(fā)的高分辨率電極，可以使受試猴子大腦中出現(xiàn)人工植入的視覺形狀和知覺。具體而言，這個(gè)包含 1000 多個(gè)微小的、刺激大腦的電極植入物，可以在猴子的大腦中產(chǎn)生可識(shí)別的運(yùn)動(dòng)和復(fù)雜形狀的感知，包括字母表中的字母。

這一重磅成果發(fā)表在 12 月 4 日最新一期的《科學(xué)》雜志上。

（來(lái)源：Science）

通過(guò)電極植入物刺激大腦產(chǎn)生人工視覺感知的想法并不新鮮，甚至可以追溯到 20 世紀(jì) 70 年代。然而，現(xiàn)有的系統(tǒng)一次只能生成少量的人工 “像素”，受試者難以形成可以感知的有效信號(hào)。

而由荷蘭神經(jīng)科學(xué)研究所 Pieter Roelfsema 領(lǐng)導(dǎo)的研究小組，通過(guò)使用全新分辨率的植入物和植入技術(shù)、尖端材料工程、微芯片制造和微電子技術(shù)，開發(fā)出比以前的植入物更加穩(wěn)定和耐用的設(shè)備。

當(dāng)然，這樣的前沿技術(shù)更實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)景，還是幫助盲人和視力障礙者重見光明。而且研究人員通過(guò)動(dòng)物已經(jīng)證明，通過(guò)大腦植入物使盲人恢復(fù)視力，即將成為現(xiàn)實(shí)。

人工植入視覺

以往在人類和動(dòng)物身上進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)電流刺激通過(guò)植入電極傳遞到大腦特殊位置時(shí)，大腦就會(huì)在視覺空間的特定位置產(chǎn)生一個(gè)光點(diǎn)，這被稱為 “光幻視（phosphene）”。

根據(jù)受到刺激的神經(jīng)元的具體位置和大小，受試者就可以感知到對(duì)大腦視覺皮層的電刺激產(chǎn)生的這種短暫的、明亮的閃光幻視。

（來(lái)源：NIN）

基于此開發(fā)的繞過(guò)眼睛直接在大腦皮層中產(chǎn)生視覺信號(hào)的電極植入物，已經(jīng)成為人類皮質(zhì)視覺假體（CVPs）設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，理想狀態(tài)下，它可以將人工生成的圖像轉(zhuǎn)換成大腦刺激信號(hào)，以在盲人大腦中創(chuàng)造出一種可以感知的視覺形式。

但是，一直以來(lái)許多研究受到電極位置和功率要求的限制，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)安全刺激的電極數(shù)量十分有限，最終誘發(fā)的光幻視感知也十分簡(jiǎn)單。

在《科學(xué)》雜志發(fā)表的這項(xiàng)最新研究中，Pieter Roelfsema 和他的同事們開發(fā)了一個(gè)高分辨率的神經(jīng)假體，包含 1024 個(gè)以類似矩陣模式排列的皮質(zhì)內(nèi)電極。

為了測(cè)試這個(gè)系統(tǒng)，研究人員將這個(gè)電極裝置植入了兩只猴子的大腦視覺皮層，這些猴子接受了識(shí)別特定形狀的訓(xùn)練，包括字母。然后，同時(shí)刺激數(shù)百個(gè)電極，研究人員通過(guò)光幻視創(chuàng)造了猴子能夠感知的視覺形狀，而且實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，猴子能夠立即識(shí)別出這些特定視覺形狀，就像它們真的通過(guò)眼睛看見了一樣。

圖 | 腦部刺激產(chǎn)生人造視覺（來(lái)源：Science）

具體而言，研究人員首先讓受試猴子完成一個(gè)簡(jiǎn)單的行為任務(wù)，在這個(gè)任務(wù)中，猴子們需要通過(guò)眼球運(yùn)動(dòng)來(lái)報(bào)告通過(guò)單個(gè)刺激產(chǎn)生的光幻視的位置；之后，研究人員又測(cè)試更復(fù)雜的任務(wù)，比如一個(gè)運(yùn)動(dòng)方向的任務(wù)，在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，會(huì)對(duì)一系列電極進(jìn)行微刺激；此外，還有一個(gè)字母識(shí)別任務(wù)，在這個(gè)任務(wù)中，8-15 個(gè)電極同時(shí)受到微刺激，創(chuàng)造一個(gè)字母形式的感知。

最終結(jié)果顯示，猴子們可以利用人工植入的視覺成功地識(shí)別出形狀和感知，包括移動(dòng)的點(diǎn)、線條和字母。

重見光明的希望

對(duì)于全球 4000 多萬(wàn)盲人來(lái)說(shuō)，重見光明曾經(jīng)是一個(gè)遙不可及的夢(mèng)想。

盡管在 “仿生眼” 成為現(xiàn)實(shí)之前，仍有幾個(gè)技術(shù)障礙有待克服，但這項(xiàng)最新研究已經(jīng)帶來(lái)了希望，即該設(shè)備有朝一日可能為全世界的視力障礙者帶來(lái)有用的視覺功能。

研究人員表示，這項(xiàng)新研究為使用微電刺激視覺皮層創(chuàng)造人工視覺，提供了概念上的證明。《科學(xué)》雜志配發(fā)的評(píng)論文章也指出，該研究為下一代視皮層視覺假體（CVPs）設(shè)定了一個(gè)新的基準(zhǔn)，證明 1000 個(gè)電極足以產(chǎn)生字母、方向和運(yùn)動(dòng)感知。

（來(lái)源：NIN）

Roelfsema 表示，他們的目標(biāo)是通過(guò)多個(gè)電極同時(shí)進(jìn)行電刺激來(lái)創(chuàng)造可解釋的圖像，以產(chǎn)生一個(gè)由多個(gè)光幻視點(diǎn)組成的知覺。“我們植入視覺皮層的電極的數(shù)量，以及我們能夠產(chǎn)生產(chǎn)生高分辨率人工圖像的人工像素的數(shù)量，都是前所未有的?！?/span>

“我們的植入物直接與大腦連接，繞過(guò)了之前通過(guò)眼睛或視神經(jīng)進(jìn)行的視覺處理。因此，在未來(lái)，這種技術(shù)可以用于視網(wǎng)膜、眼睛或視神經(jīng)受傷或退化但視覺皮質(zhì)完好無(wú)損的盲人的視力損失恢復(fù)?！盧oelfsema 團(tuán)隊(duì)的博士后研究員 Xing Chen 解釋說(shuō)。

總而言之，這項(xiàng)研究為全新神經(jīng)假體裝置的研制奠定了基礎(chǔ)，有望使重度盲人重獲視覺功能，并能識(shí)別物體，顯著提高這部分人群在社會(huì)活動(dòng)中的獨(dú)立性和生活質(zhì)量。

治愈失明，僅一步之遙

實(shí)際上，近年來(lái)隨著腦科學(xué)研究的深入，以及腦機(jī)接口技術(shù)的發(fā)展，能夠讓盲人看見東西的高科技設(shè)備已經(jīng)不再遙遠(yuǎn)。

視皮層視覺假體（CVPs）又名 “仿生眼”，是一種將圖像信息進(jìn)行人工處理與編碼，通過(guò)插入的微電極陣列對(duì)視覺神經(jīng)系統(tǒng)進(jìn)行刺激，使盲人恢復(fù)部分視力的人造器官。

早在 1996 年，來(lái)自美國(guó)猶他州的世界著名高等學(xué)府猶他大學(xué)的研究人員就成功開發(fā)出了視皮層視覺假體，長(zhǎng)度為 1.5 mm 的 100 個(gè)針狀電極呈 10×10 正方形排列在厚 0.2 mm、面積為 12.96mm2 的金屬薄片上。

在當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)中，研究人員將電極植入患者腦內(nèi)，刺激大腦皮層，成功讓患者產(chǎn)生了 “光幻覺”，患者可以描述研究人員預(yù)測(cè)的顏色，并且跟隨光斑的位置轉(zhuǎn)動(dòng)眼球。

今年 5 月，國(guó)際頂級(jí)期刊《細(xì)胞》雜志也發(fā)表了一項(xiàng)黑科技成果，來(lái)自美國(guó)貝勒醫(yī)學(xué)院 Daniel Yoshor 教授帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)，通過(guò)動(dòng)態(tài)電流電極刺激大腦皮層，成功在受試者腦海中呈現(xiàn)指定的圖像。

（來(lái)源：Cell）

在當(dāng)時(shí)的試驗(yàn)中，研究人員在四個(gè)視力受損但沒(méi)有完全失明，以及 2 個(gè)完全失明患者的大腦視覺皮層內(nèi)植入這種電極，然后依次激活不同的電極，繪制字母 “Z” 的輪廓，結(jié)果這 6 名受試者都 “看到” 了字母 “Z” 的存在。

而今年 9 月，澳大利亞墨爾本莫納什大學(xué)研究人員發(fā)表文章稱，他們開發(fā)出了一款仿生眼，可以通過(guò)結(jié)合智能手機(jī)式電子設(shè)備和植入大腦的微電極使盲人恢復(fù)視力。在預(yù)臨床實(shí)驗(yàn)和非人類試驗(yàn)證實(shí)該設(shè)備用于綿羊時(shí)，超過(guò) 2700 小時(shí)的刺激過(guò)程中，均未引起廣泛的組織損傷。這也是世界上首批將 “仿生眼” 完全植入大腦進(jìn)行的長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)之一。

研究人員還表示，他們正積極準(zhǔn)備開展人體臨床試驗(yàn)，并希望最終在全球范圍內(nèi)生產(chǎn)該設(shè)備。研究人員還希望該系統(tǒng)可以幫助患有神經(jīng)系統(tǒng)疾?。ㄈ缰w麻木）的患者恢復(fù)運(yùn)動(dòng)。