重磅研究为盲人复明提供新的可能
来源:科研圈
发布时间:2020-12-08
浏览次数:1350
科学家们将一枚芯片植入猴子大脑的视觉皮层、施加电刺激后,猴子们能够“看到”真实世界中并不存在的光信号,并能辨别出这些“人造幻觉”的形状与运动信息。

 

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图片来源:Pixabay

 

来源 荷兰神经科学研究所、《科学》等

编译 戚译引 李姗珊

编辑 魏潇

 

让失明患者们重获光明的理想或许能够实现了。一项 12 月 3 日发表在《科学》(Science)上的新研究显示,科学家们将一枚搭载着 1024 个电极的芯片植入猴子大脑的视觉皮层、施加电刺激后,猴子们能够“看到”真实世界中并不存在的光信号,并能辨别出这些“人造幻觉”的形状与运动信息。 

 

光幻视与视觉假体

 

70 多年前,科学家们就已经发现了光幻视(phosphene)现象能被人为地引发:我们可以跳过视网膜的输入,直接给大脑的视觉中枢施与一次电刺激,在视觉空间的特定位置产生一个光点,让被试“看到”本不存在的视觉信号。这一发现让不少学者走上了开发视皮层假体(cortical visual prostheses)的道路,希望通过直接刺激视觉皮层,使后天失明的盲人恢复视力。然而,自上世纪 70 年代第一代视觉假体诞生以来,这一研究领域一直没能得到长足的进步——外来电刺激产生的光幻视信号大多是非常单一且数量较少的“人工像素点”,这距离帮助丧失了视力的后天性眼盲人群回归正常生活还有相当一段距离。

 

在这项新研究中,由 Pieter Roelfsema 带领的荷兰神经学研究所的团队运用了更加稳定耐用的新技术,卓有成效地推动了视觉假体技术继续向前。他们研发出了由 1024 个电极组成的植入芯片,并将其植入到了两只视觉能力正常的猴子的视觉皮层中。他们的目标是,通过芯片中不同电极同时产生多个电刺激,能够在猴子的大脑中激活一个由多个光幻视(点)组成的可理解的图像。

 

要做到这一点,首先需要找到一个恰当强度的“输入信号”。在自然视觉产生的过程中,来自视觉场景的信息会依次从视网膜传递至丘脑,再到初级视觉皮层 V1 区域,随后进入更高级的视觉中枢 V4 区域。对于视皮层假体来说,每个电极的电刺激强度既不能太弱(产生不了可被检测的光幻视),也不能太强(让光幻视溢出到更大的空间区域)。这就需要研究者和参与者一起耗费大量的时间对电刺激进行校准,弄明白每个电极的不同电刺激强度下会产生什么样的效果。新研究找到了一个快速解决这一问题的方法:他们使用猴子 V1 脑区处的电极进行刺激,然后在更高级的 V4 脑区进行记录,根据 V4 神经元的反应估算合适的 V1 刺激强度,并且可以针对多个电极自动快速进行。

 

值得一提的是,新研究使用的电极直接植入了皮层,因此极大地降低了对刺激电流强度的要求——仅有美国食品和药品管理局(FDA)批准的置于皮层外部(硬膜下电极)刺激强度的十分之一乃至百分之一。

 

“看到”不存在的图像

 

寻找到合适的“输入强度”后,就可以考虑如何让猴子“看到”更复杂的图像了。在过往的研究中,我们已经知道人类视觉场景中的每个位置与大脑中视觉皮层中的每个位置之间存在有序的映射地图,如果在相应的位置植入由多个电极组成的阵列并给与电刺激刺激,大脑就能像一个个灯泡组成灯牌那样,产生视觉画面。对于非人灵长类动物来说,由于它们与人类的视觉皮层相似度较高,因此也可以适用上述原则。

 

在这项新研究中,学者们开发的芯片包含 16 个阵列,每个阵列 64 个电极,共计 1024 个,远高于美国 FDA 曾经批准的临床试验中使用的 60 个电极的视皮层假体。这意味着研究者能够将猴子脑海中的光幻视点排列成更复杂的形状——比如不同的字母。虽然这些“被试”们无法用言语表达自己究竟看到了什么,但是它们在经过训练后能辨识这些图案,并且成功地完成了任务。

 

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“看到”不存在的字母。图片来源:论文

 

除了“认字母”,研究者还测试了装入视皮层假体的猴子对运动的光幻视信号的辨认情况。只要令猴子脑内的电极按顺序放电,就能形成一个视觉效果上正在移动的光点。而猴子在感知到这个光幻视的位置后,眼睛会随之转动。研究者们利用眼动设备追踪猴子的表现后发现,它成功地辨认出了实际上不存在的“运动光点”。

 

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“看到”不存在的移动光点。图片来源:论文

 

研究负责人 Roelfsema 表示,“此次植入芯片的电极个数与其所产生的人工图像的分辨率之高都是前所未有的。”

 

人工视觉的未来

 

“我们的植入设备能够绕过由眼睛与视神经组成的视觉输入通路,直接向大脑传递信息。因此,利用这项技术,我们可以帮助由于视网膜损伤或退化导致失明的人群重获基础视力,” Roelfsema 团队的博士后、论文一作 Xing Chen 这样评论道。

 

毫无疑问,这项研究为神经假体设备的应用建立了基础。在未来,这类技术或许能够帮助完全失明的人群重获功能性视觉(functional vision),进行物体识别、陌生环境导航等应用,提高他们的生活自主性。

 

不过,要实现这个美好的未来愿景,科学家们仍然需要解决不少问题。在《科学》同期发表的评论文章中,美国宾夕法尼亚大学佩雷尔曼医学院的神经外科学者 Michael S. Beauchamp 和 Daniel Yoshor 指出这个最新的“人工视觉”设备仍存在技术和生物学上的局限。首先,新研究使用的植入电极阵列依然是有线设备,但如果进入临床应用,长期植入人体的关键性部件必须使用无线设备。其次,利用光幻视原理构建出的“画面”依然是单调的闪烁光点,这与自然视觉产生的丰富色彩和样式天差地别。他们认为,造成这种差异的可能原因是刺激 V1 区域的神经元产生的是基础性的、相对简单的感知(例如光幻视点的移动方向),而负责加工产生颜色或者面部信息的是更高级的视觉脑区——如果想要产生更贴近自然状态的视觉图像,在未来的研究中将 V4 等区域囊括进刺激范围或许是一个值得探索的尝试。

 

所幸,生物相容性无线设备已经取得了长足的进步,急速发展的计算机科学得以让越来越多的高级模拟算法弥补电极数量的不足。研究者们可以通过控制电刺激的序列和模式,产生更多更复杂的“光幻视图像”,传递更多信息。未来,我们甚至可以找到将真实的视觉场景转换为大脑刺激模式的方法,让机器视觉算法根据具体环境提取关键信息输入大脑,例如在导航任务中,通过识别真实世界中的箭头形状,向大脑输入正确的航向信息。正如 Beauchamp 和 Yoshor 在评论文章中所说,“经过数十年的试错,视皮层假体迎来了光明的未来”,令盲人复明的希望,终将依靠科学的力量实现。

 

论文信息:

Shape perception via a high-channel-count neuroprosthesis in monkey visual cortex. XING CHEN, FENG WANG, EDUARDO FERNANDEZ, PIETER R. ROELFSEMA. SCIENCE 04 DEC 2020 : 1191-1196

 

主要编译来源:

https://eurekalert.org/emb_releases/2020-12/nifn-mtb112420.php

https://science.sciencemag.org/content/370/6521/1168




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