圖片來(lái)源：Credit: M. S. Beauchamp et al./Cell
撰文丨Nicoletta Lanese
翻譯丨賀白
編輯丨楊心舟
近期，科學(xué)家通過(guò)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(fā)表在《細胞》雜志上的研究，這項實(shí)驗對視力正常和成年后失明的人均有效。盡管這項技術(shù)仍處于早期階段，但這種植入設備在未來(lái)有望被用于刺激大腦，并在一定程度上恢復個(gè)體的視力。
被稱(chēng)為人工視覺(jué)的植入物會(huì )被放置在視覺(jué)皮層上，研究人員再通過(guò)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(jìn)的版本類(lèi)似于現在的耳蝸植入物，后者嫩通過(guò)電極刺激內耳神經(jīng)，幫助增強佩戴者的聽(tīng)力。
貝勒醫學(xué)院（Baylor College of Medicine）的神經(jīng)學(xué)家邁克爾·波尚（Michael Beauchamp）和神經(jīng)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?！奔s索將于今年夏天在賓夕法尼亞大學(xué)佩雷爾曼醫學(xué)院（Perelman School of Medicine）任職?！皩τ谠S多盲人患者來(lái)說(shuō)，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(huì )是一個(gè)極大的進(jìn)步?！倍壳暗难芯渴浅?zhù)實(shí)現這種技術(shù)邁出的一小步。
研究之所以能實(shí)現這一效果，主要是利用電流刺激大腦，使受試者產(chǎn)生了光幻視（phosphenes），該現象是指人們有時(shí)在沒(méi)有任何實(shí)際光線(xiàn)進(jìn)入眼睛的情況下感知到的微小光點(diǎn)，而研究就是用光幻視來(lái)創(chuàng )造這些字母。與光線(xiàn)從房間里的物體上反射進(jìn)入你的眼睛不同，對于視覺(jué)系統來(lái)說(shuō)，光幻視看起來(lái)會(huì )有點(diǎn)奇怪：因為光點(diǎn)不在某個(gè)地方時(shí)，你卻“看到”了這些光點(diǎn)。例如，當你在黑暗的房間里揉眼睛時(shí)，你可能看到過(guò)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(jué)實(shí)驗室負責人、哈佛大學(xué)神經(jīng)外科助理教授約翰·佩扎里斯（John Pezaris）表示，揉眼睛時(shí)出現星星的現象也被稱(chēng)為“機械性光幻視”（mechanical phosphenes），最早是由一位古希臘哲學(xué)家和生理學(xué)家阿爾克梅恩（Alcmaeon）描述的，而在此幾個(gè)世紀后的1755年，法國醫生查爾斯勒羅伊（Charles Le Roy）發(fā)現，即使是盲人，被用電刺激大腦后也能產(chǎn)生生動(dòng)的光幻視。
佩扎里斯說(shuō)，上世紀60年代，科學(xué)家們開(kāi)始提出人工視覺(jué)的想法。那時(shí)，研究人員就開(kāi)始在視覺(jué)皮層植入電極，試圖讓對象產(chǎn)生光幻視，并將這種幻視組合成符合邏輯的形狀?？茖W(xué)家們假設，如果他們刺激大腦皮層的多個(gè)點(diǎn)，就會(huì )出現多個(gè)光幻視，并會(huì )“自動(dòng)結合”成可被理解的形式，就像電腦屏幕上的許多單個(gè)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復雜，由于某些未知原因，從光幻視的組合中產(chǎn)生可識別的形式實(shí)際上非常困難?！北疚淖髡邆冊谧约旱难芯恐杏龅搅讼嗤淖璧K，但找到了一種克服這種障礙的方法。
研究人員在5名受試者的視覺(jué)皮質(zhì)上放置了一系列電極，其中3人視力正常，2人失明。具體地說(shuō)，這些電極位于大腦被稱(chēng)作V1的腦區，在這里，視網(wǎng)膜信息會(huì )被進(jìn)行早期處理。試驗中，視力正常的人為了治療癲癇，已經(jīng)接受過(guò)大腦植入電極的手術(shù)，目的是監測他們的大腦的癲癇活動(dòng)。而盲人參加了另一項人工視覺(jué)的研究，并在那時(shí)植入了電極。
V1腦區的工作原理類(lèi)似于地圖，而這張地圖的不同區域會(huì )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(fā)現，如果一次激活一個(gè)電極，受試者確實(shí)能在其預測區域內看到一個(gè)光幻視（針尖狀的光）出現。但是，如果多個(gè)電極同時(shí)工作，單個(gè)光幻視仍然存在，卻并沒(méi)有組合成有意義的圖形。
因此，作者嘗試了一種不同的策略；他們假設，通過(guò)追蹤幾個(gè)電極的電流，他們可以在大腦表面描繪特定的圖案模式，從而讓大腦產(chǎn)生可供識別的形狀。“大腦有無(wú)與倫比的探測環(huán)境變化的能力，”因此他們推測，我們的大腦能夠追蹤一個(gè)接一個(gè)出現的光幻視點(diǎn)組成的圖案模式。
“人工耳蝸使用類(lèi)似的策略來(lái)產(chǎn)生不同的音調，”荷蘭神經(jīng)科學(xué)研究所所長(cháng)皮爾特·羅爾夫塞馬（Pieter Roelfsema）表示， “假設電極1產(chǎn)生的音高較高，電極2的較低，那么只要引導電流通過(guò)兩個(gè)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?！?/p>
研究人員發(fā)現，他們可以對視覺(jué)做一些類(lèi)似的事情；他們可以在兩個(gè)獨立電極的位置之間產(chǎn)生光幻視，從而連接起兩個(gè)電極。利用這項技術(shù)，作者在V1的表面可以畫(huà)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(jué)信息從眼睛到達視覺(jué)皮層的方式。
該圖顯示了由不同的動(dòng)態(tài)刺激模式創(chuàng )建的不同字母形狀（W和Z），刺激模式在左側，受試者繪制的圖形在右側。（圖片來(lái)源：Beauchamp等人/《細胞》）
利用這一方法，受試者們真的可以看到被描繪的形狀，并在觸摸屏上準確地再現它們。當參與研究的人開(kāi)始看到他們腦海中形成的字母時(shí)，“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(shuō)。
“在這項研究能夠應用到人工視覺(jué)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(xiě)道。
作者表示，在未來(lái)，人工視覺(jué)可能需要包含成千上萬(wàn)個(gè)電極，而這項研究只使用了幾十個(gè)。此外，他們還說(shuō)：“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于皮層表面下幾百微米處的神經(jīng)元?！?/p>
佩扎里斯說(shuō)，穿透大腦皮層的電極產(chǎn)生精確的光幻視所需的電場(chǎng)，比大腦表面電極所需的電場(chǎng)要弱得多。他指出，表面電極需要利用強電場(chǎng)到達組織內的腦細胞，有時(shí)這會(huì )導致相鄰或重疊的細胞同時(shí)受到刺激。
羅爾夫賽馬表示，為了讓人工視覺(jué)工作，需要發(fā)明能長(cháng)時(shí)間與腦組織相容的新電極。他說(shuō)：“目前輸送電信號到大腦的電極會(huì )造成大腦損傷，而且作用時(shí)間不夠長(cháng)。然而，對于某些患者來(lái)說(shuō)，表面電極可能效果更好，這要取決于將電極植入大腦深處的風(fēng)險有多大?！彼硎?，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(wǎng)膜假體，而眼部手術(shù)就能完成這件事。
最重要的是，“要使人工視覺(jué)設備真正對盲人有用，必須能切實(shí)提高他們的生活質(zhì)量，”波尚和約索說(shuō)。這意味著(zhù)，除了優(yōu)化物理電極及其操作方式外，科學(xué)家還必須開(kāi)發(fā)可靠的軟件，幫助過(guò)濾和處理用戶(hù)的視覺(jué)信息。一旦完成，整個(gè)系統必須足夠實(shí)用，人們才可能去真正使用它。
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