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2021年9月1-3日 | 上海世博展览馆2&4号馆

植入视觉!绕过眼睛使盲人重见光明,人类治愈失明仅一步之遥

2021-01-12


俗话说,耳听为虚眼见为实,但在各种科幻技术不断冲进现实的今天,你敢说你看到的就是真的吗?

近日,荷兰神经科学研究所 (NIN) 的一项最新发现表明,通过在大脑视觉皮层中植入新开发的高分辨率电极,可以使受试猴子大脑中出现人工植入的视觉形状和知觉。具体而言,这个包含 1000 多个微小的、刺激大脑的电极植入物,可以在猴子的大脑中产生可识别的运动和复杂形状的感知,包括字母表中的字母。

这一重磅成果发表在 12 月 4 日最新一期的《科学》杂志上。

来源:Science
通过电极植入物刺激大脑产生人工视觉感知的想法并不新鲜,甚至可以追溯到 20 世纪 70 年代。然而,现有的系统一次只能生成少量的人工 “像素”,受试者难以形成可以感知的有效信号。

而由荷兰神经科学研究所 Pieter Roelfsema 领导的研究小组,通过使用全新分辨率的植入物和植入技术、尖端材料工程、微芯片制造和微电子技术,开发出比以前的植入物更加稳定和耐用的设备。

当然,这样的前沿技术更实际的应用场景,还是帮助盲人和视力障碍者重见光明。而且研究人员通过动物已经证明,通过大脑植入物使盲人恢复视力,即将成为现实。

人工植入视觉

以往在人类和动物身上进行的实验表明,当电流刺激通过植入电极传递到大脑特殊位置时,大脑就会在视觉空间的特定位置产生一个光点,这被称为 “光幻视(phosphene)”。

根据受到刺激的神经元的具体位置和大小,受试者就可以感知到对大脑视觉皮层的电刺激产生的这种短暂的、明亮的闪光幻视。

基于此开发的绕过眼睛直接在大脑皮层中产生视觉信号的电极植入物,已经成为人类皮质视觉假体(CVPs)设计的基础,理想状态下,它可以将人工生成的图像转换成大脑刺激信号,以在盲人大脑中创造出一种可以感知的视觉形式。

但是,一直以来许多研究受到电极位置和功率要求的限制,可以同时实现安全刺激的电极数量十分有限,最终诱发的光幻视感知也十分简单。

在《科学》杂志发表的这项最新研究中,Pieter Roelfsema 和他的同事们开发了一个高分辨率的神经假体,包含 1024 个以类似矩阵模式排列的皮质内电极。

为了测试这个系统,研究人员将这个电极装置植入了两只猴子的大脑视觉皮层,这些猴子接受了识别特定形状的训练,包括字母。然后,同时刺激数百个电极,研究人员通过光幻视创造了猴子能够感知的视觉形状,而且实验结果表明,猴子能够立即识别出这些特定视觉形状,就像它们真的通过眼睛看见了一样。

脑部刺激产生人造视觉(来源:Science)
具体而言,研究人员首先让受试猴子完成一个简单的行为任务,在这个任务中,猴子们需要通过眼球运动来报告通过单个刺激产生的光幻视的位置;之后,研究人员又测试更复杂的任务,比如一个运动方向的任务,在这个实验中,会对一系列电极进行微刺激;此外,还有一个字母识别任务,在这个任务中,8-15 个电极同时受到微刺激,创造一个字母形式的感知。

最终结果显示,猴子们可以利用人工植入的视觉成功地识别出形状和感知,包括移动的点、线条和字母。

重见光明的希望

对于全球 4000 多万盲人来说,重见光明曾经是一个遥不可及的梦想。

尽管在 “仿生眼” 成为现实之前,仍有几个技术障碍有待克服,但这项最新研究已经带来了希望,即该设备有朝一日可能为全世界的视力障碍者带来有用的视觉功能。

研究人员表示,这项新研究为使用微电刺激视觉皮层创造人工视觉,提供了概念上的证明。《科学》杂志配发的评论文章也指出,该研究为下一代视皮层视觉假体(CVPs)设定了一个新的基准,证明 1000 个电极足以产生字母、方向和运动感知。

Roelfsema 表示,他们的目标是通过多个电极同时进行电刺激来创造可解释的图像,以产生一个由多个光幻视点组成的知觉。“我们植入视觉皮层的电极的数量,以及我们能够产生产生高分辨率人工图像的人工像素的数量,都是前所未有的。”

“我们的植入物直接与大脑连接,绕过了之前通过眼睛或视神经进行的视觉处理。因此,在未来,这种技术可以用于视网膜、眼睛或视神经受伤或退化但视觉皮质完好无损的盲人的视力损失恢复。”Roelfsema 团队的博士后研究员 Xing Chen 解释说。

总而言之,这项研究为全新神经假体装置的研制奠定了基础,有望使重度盲人重获视觉功能,并能识别物体,显著提高这部分人群在社会活动中的独立性和生活质量。

治愈失明,仅一步之遥

实际上,近年来随着脑科学研究的深入,以及脑机接口技术的发展,能够让盲人看见东西的高科技设备已经不再遥远。

视皮层视觉假体(CVPs)又名 “仿生眼”,是一种将图像信息进行人工处理与编码,通过插入的微电极阵列对视觉神经系统进行刺激,使盲人恢复部分视力的人造器官。

早在 1996 年,来自美国犹他州的世界著名高等学府犹他大学的研究人员就成功开发出了视皮层视觉假体,长度为 1.5 mm 的 100 个针状电极呈 10×10 正方形排列在厚 0.2 mm、面积为 12.96mm2 的金属薄片上。

在当时的实验中,研究人员将电极植入患者脑内,刺激大脑皮层,成功让患者产生了 “光幻觉”,患者可以描述研究人员预测的颜色,并且跟随光斑的位置转动眼球。

今年 5 月,国际顶级期刊《细胞》杂志也发表了一项黑科技成果,来自美国贝勒医学院 Daniel Yoshor 教授带领的研究团队,通过动态电流电极刺激大脑皮层,成功在受试者脑海中呈现指定的图像。

来源:Cell
在当时的试验中,研究人员在四个视力受损但没有完全失明,以及 2 个完全失明患者的大脑视觉皮层内植入这种电极,然后依次激活不同的电极,绘制字母 “Z” 的轮廓,结果这 6 名受试者都 “看到” 了字母 “Z” 的存在。

而今年 9 月,澳大利亚墨尔本莫纳什大学研究人员发表文章称,他们开发出了一款仿生眼,可以通过结合智能手机式电子设备和植入大脑的微电极使盲人恢复视力。在预临床实验和非人类试验证实该设备用于绵羊时,超过 2700 小时的刺激过程中,均未引起广泛的组织损伤。这也是世界上首批将 “仿生眼” 完全植入大脑进行的长期实验之一。

研究人员还表示,他们正积极准备开展人体临床试验,并希望最终在全球范围内生产该设备。研究人员还希望该系统可以帮助患有神经系统疾病(如肢体麻木)的患者恢复运动。

来源:ippp.gmu.edu
12月3日,学术君还报道了最新一期Nature杂志封面文章《Nature封面:逆转衰老时钟!科学家成功恢复与年龄有关的视觉丧失》,让我们见识了通过另一种技术手段治愈失明的希望。

我们相信不远的将来,在盲人大脑中人工植入视觉以恢复视力,一定会成为现实。而这一天如果真的到来,这项向大脑中植入人工信息的技术,所能应用的场景绝非仅限于恢复视力。

文章及图片来源:学术头条(大数据文摘转)