失明患者也能用,这项大脑植入技术不用眼睛也能“看到”字母

原标题:失明患者也能用,这项大脑植入技术不用眼睛也能“看到”字母 | 硬科技

失明患者也能用,这项大脑植入技术不用眼睛也能“看到”字母

图片来源:Unsplash

记者 | 谭一凡

编辑 |

1

记者 | 谭一凡

编辑 |

1

让失明患者重新看见世界,这样的设想在未来可能不只会出现在科幻电影里。科学家正在研究一种新模式,将电流传送到大脑,帮助失明者看到不存在的字母。

这项发表在《细胞》杂志上的研究表明,这种方式对于视力正常的人和成年后失明的参与者都有效。尽管该技术仍处于早期阶段,但植入的设备在未来有可能用于刺激大脑并在一定程度上恢复人们的视力。

该实验将一种被称为视觉修复术的植入物放置在视觉皮层上(大脑区域,该区域负责处理来自眼睛的传入信息)进行刺激,进而“追踪”到参与者能够“看到”的形状。这些植入物与人工耳蜗植入物的工作原理类似,后者是通过电极刺激内耳神经来帮助提高佩戴者的听力。

实验发起人贝勒医学院的神经学家迈克尔·比彻姆和神经外科医生丹尼尔·约索尔表示:“实验可以检测遇到的形状轮廓,检测家庭成员形态或者进行更独立的导航,这对许多盲人来说将是一个了不起的进步。”

以前的研究者曾经尝试通过用电流刺激大脑,从而利用产生的磷化氢来制作字母。磷化氢是人们有时会察觉到的细小光针刺,但实际上没有任何光进入眼睛。与光线从房间里的物体反射进入眼睛不同,磷化物表现为视觉处理系统的一种奇怪现象:你能“看到”这些光点,尽管它们实际上并不在那里。

失明患者也能用,这项大脑植入技术不用眼睛也能“看到”字母

失明患者也能用,这项大脑植入技术不用眼睛也能“看到”字母

图片来源:©Shutterstock

马萨诸塞州视觉修复实验室主任、哈佛大学神经外科助理教授约翰·佩扎利斯表示,当你揉揉眼睛时出现的星星被称为“机械光斑”,最早是由古希腊哲学家、生理学家阿尔克迈发现的。在几个世纪后的1755年,法国内科医生查尔斯·勒·罗伊发现,用电刺激大脑,即使在盲人中也可以产生鲜艳的磷化氢。

佩扎利斯还称,在20世纪60年代,科学家们已经开始萌生了带着假体的想法进行研究。研究人员将电极植入视觉皮层,目的是生成磷化氢并将其组装成连贯的形状。科学家们假设,如果他们刺激大脑皮层上的多个点位,就会出现多个磷斑,并“自动合并”成可理解的形式,就像电脑屏幕上的单个像素一样。

“但是,大脑远比电脑显示器复杂,由于我们尚未完全理解,实际上很难用磷化合物组合产生可识别的形状。”比彻姆和约索尔两位研究者在自己的研究中也遇到了同样的障碍,但他们找到了一种规避的方法。

研究小组在五名参与者的视觉皮质上铺设了电极阵列,其中三人视力正常,两人失明。

具体而言,电极位于被称为V1的大脑区域上,来自视网膜的信息被收集到这里进行早期处理。视力正常的人因为患有癫痫,已经接受了手术,将电极植入他们的大脑,用以监测他们的大脑活动。盲人则参加了一项单独的研究视觉假体的研究,并在当时植入了电极。

V1就像一张地图,地图的不同区域对应着我们视野的不同区域,比如右上或左下。科学家们发现,如果他们一次激活一个电极,则参与者可以可靠地看到在其预测区域出现了光的细刺。但是,如果多个电极同时连接,单个的磷苯仍然会出现,但不会形成连贯的形状聚集在一起。

因此,两位研究者尝试了一种不同的策略。他们假设通过“扫过”几个电极上的电流,可以在大脑表面上追踪图形,从而产生可识别的形状。两位研究者认为,“大脑经过独特调整,可以检测到周围环境的变化。”他们也得出了理论,即大脑应该追踪一个接一个出现的磷光斑。

荷兰神经科学研究所主任彼得·罗弗塞马认为,“假设电极1的间距较大,而电极2的间距较小,通过将电流引导通过两个电极,可以获得介于电极1和2中间的间距。”

两位研究者发现,他们可以用视觉做类似的事情。他们可以在两个单独的电极之间产生磷光,从而将电极之间的点连接起来。利用这种技术,研究者在V1的表面上画出了字母形状,如“W”、“S”和“Z”。形状必须上下颠倒绘制,这就是视觉信息通常如何从我们的眼睛到达视觉皮层的方式。

最后,参与者可以看到描摹的形状,并在触摸屏上准确地重新创建它们。当参与研究的人开始在他们的脑海中看到字母的形成时,“我想他们至少和我们一样兴奋,可能更兴奋!”比彻姆和约索尔表示。

失明患者也能用,这项大脑植入技术不用眼睛也能“看到”字母

此图像显示了由不同的动态刺激模式创建的不同的字母形状(W和Z),左侧为刺激模式,右侧为参与者图形。

“在将这项研究应用到有用的视觉修复术之前,尚有许多挑战需要克服。”比彻姆和约索尔认为,在未来视觉修复术可能会包含“成千上万个电极”,而这项研究只使用了几十个。此外,他们补充说,“这些电极可以被设计成穿透大脑皮层,这样电极头就更靠近位于大脑皮层表面以下数百微米的神经元。

佩扎利斯也指出,与大脑表面的电极相比,穿透大脑的电极产生的更精确的磷化氢具有更弱的电场。他认为,表面电极使用强电场到达组织内的脑细胞,有时会导致相邻或重叠的细胞同时受到刺激。

罗弗塞马则认为,要想让视觉假肢发挥作用,就需要发明一种与脑组织长时间兼容的新电极。他说:“目前进入大脑的脑组织会造成损害,并且无法长时间工作。”但是,对于某些患者,表面电极可能效果最好,这取决于将电极植入大脑深处的风险。

“失明的原因多种多样,以至于有些患者可能会从深层植入的电极中受益最大,其他人将从表面电极中受益,还有一些人从直接植入视网膜的修复术中获益,只需要进行眼部手术即可。” 比彻姆和约索尔还强调,最重要的是,要使视觉修复设备对盲人患者真正有用,他们必须改善生活质量。

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,以帮助用户过滤和处理视觉信息。组装完成后,完整的系统必须足够有用,以使人们可以实际使用它。

佩扎利斯评价称,“从根本上说,我们必须牢记的一件事是,失明不是威胁生命的疾病,因此需要用足够的利益来平衡风险。”

0 条评论

目前没有人发表评论

发表评论

◎欢迎参与讨论,请在这里发表您的看法、交流您的观点。