科學(xué)家利用視幻覺(jué)”的現(xiàn)象讓盲人“重見(jiàn)光明”

眾所周知，盲人看不見(jiàn)東西，是否有技術(shù)讓盲人看見(jiàn)東西？但最近有科學(xué)家真的實(shí)現(xiàn)了這一技術(shù)。研究利用一種被稱作“視幻覺(jué)”的現(xiàn)象，通過(guò)植入電極和電刺激，就可以使盲人“看見(jiàn)”研究者繪制的圖案。

近期，科學(xué)家通過(guò)將電信號(hào)傳入一些人的大腦中，使他們看到了不存在的字母。 根據(jù)他們發(fā)表在《細(xì)胞》雜志上的研究，這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)對(duì)視力正常和成年后失明的人均有效。盡管這項(xiàng)技術(shù)仍處于早期階段，但這種植入設(shè)備在未來(lái)有望被用于刺激大腦，并在一定程度上恢復(fù)個(gè)體的視力。

被稱為人工視覺(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(hào)模式，受試者就可以由此“看到”圖形。而更先進(jìn)的版本類似于現(xiàn)在的耳蝸植入物，后者能通過(guò)電極刺激內(nèi)耳神經(jīng)，幫助增強(qiáng)佩戴者的聽(tīng)力。

貝勒醫(yī)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(yī)生丹尼爾·約索(Daniel Yoshor)博士表示：“這種設(shè)備的早期版本可以探測(cè)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(yī)學(xué)院(Perelman School of Medicine)任職?！皩?duì)于許多盲人患者來(lái)說(shuō)，能夠辨認(rèn)家庭成員的模樣，或被允許更獨(dú)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鴮?shí)現(xiàn)這種技術(shù)邁出的一小步。

光幻視的作用

研究之所以能實(shí)現(xiàn)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(xiàn)象是指人們有時(shí)在沒(méi)有任何實(shí)際光線進(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。與光線從房間里的物體上反射進(jìn)入你的眼睛不同，對(duì)于視覺(jué)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，光幻視看起來(lái)會(huì)有點(diǎn)奇怪：因?yàn)楣恻c(diǎn)不在某個(gè)地方時(shí)，你卻“看到”了這些光點(diǎn)。例如，當(dāng)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(xiàn)象通常被描述為“眼冒金星”。

馬薩諸塞州總醫(yī)院人工視覺(jué)實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)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(xiàn)星星的現(xiàn)象也被稱為“機(jī)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(jì)后的1755年，法國(guó)醫(yī)生查爾斯勒羅伊(Charles Le Roy)發(fā)現(xiàn)，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(jì)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(duì)象產(chǎn)生光幻視，并將這種幻視組合成符合邏輯的形狀。科學(xué)家們假設(shè)，如果他們刺激大腦皮層的多個(gè)點(diǎn)，就會(huì)出現(xiàn)多個(gè)光幻視，并會(huì)“自動(dòng)結(jié)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(yuǎn)比電腦顯示器復(fù)雜，由于某些未知原因，從光幻視的組合中產(chǎn)生可識(shí)別的形式實(shí)際上非常困難?！北疚淖髡邆?cè)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。

在大腦中繪圖

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作V1的腦區(qū)，在這里，視網(wǎng)膜信息會(huì)被進(jìn)行早期處理。試驗(yàn)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(jiān)測(cè)他們的大腦的癲癇活動(dòng)。而盲人參加了另一項(xiàng)人工視覺(jué)的研究，并在那時(shí)植入了電極。

V1腦區(qū)的工作原理類似于地圖，而這張地圖的不同區(qū)域會(huì)對(duì)應(yīng)我們視野的不同區(qū)域，例如右上角或左下角。研究人員發(fā)現(xiàn)，如果一次激活一個(gè)電極，受試者確實(shí)能在其預(yù)測(cè)區(qū)域內(nèi)看到一個(gè)光幻視(針尖狀的光)出現(xiàn)。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(shè)，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(shí)別的形狀?！按竽X有無(wú)與倫比的探測(cè)環(huán)境變化的能力，”因此他們推測(cè)，我們的大腦能夠追蹤一個(gè)接一個(gè)出現(xiàn)的光幻視點(diǎn)組成的圖案模式。

“人工耳蝸使用類似的策略來(lái)產(chǎn)生不同的音調(diào)，”荷蘭神經(jīng)科學(xué)研究所所長(zhǎng)皮爾特·羅爾夫塞馬(Pieter Roelfsema)表示， “假設(shè)電極1產(chǎn)生的音高較高，電極2的較低，那么只要引導(dǎo)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?！?

研究人員發(fā)現(xiàn)，他們可以對(duì)視覺(jué)做一些類似的事情;他們可以在兩個(gè)獨(dú)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(xiàng)技術(shù)，作者在V1的表面可以畫出字母形狀，如“W”、“S”和“Z”;當(dāng)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(dá)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(cè)，受試者繪制的圖形在右側(cè)。(圖片來(lái)源：Beauchamp等人/《細(xì)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(zhǔn)確地再現(xiàn)它們。當(dāng)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)。

有待發(fā)展的技術(shù)

“在這項(xiàng)研究能夠應(yīng)用到人工視覺(jué)上之前，仍存在許多挑戰(zhàn)，”羅爾夫賽馬在給《細(xì)胞》的一封信中寫道。

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(xiàng)研究只使用了幾十個(gè)。此外，他們還說(shuō)：“這些電極可以設(shè)計(jì)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?！?

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(qiáng)電場(chǎng)到達(dá)組織內(nèi)的腦細(xì)胞，有時(shí)這會(huì)導(dǎo)致相鄰或重疊的細(xì)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(zhǎng)時(shí)間與腦組織相容的新電極。他說(shuō)：“目前輸送電信號(hào)到大腦的電極會(huì)造成大腦損傷，而且作用時(shí)間不夠長(zhǎng)。然而，對(duì)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(xiǎn)有多大。”他表示，導(dǎo)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(shè)備真正對(duì)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，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)濾和處理用戶的視覺(jué)信息。一旦完成，整個(gè)系統(tǒng)必須足夠?qū)嵱?，人們才可能去真正使用它?