盲人可以「看到」科學家用電在大腦上繪製的信

2023-04-01 01:52:04 1

科學家已經發布了在人們大腦中遊動的電子模式，誘使他們看不存在的字母。

根據今天(5月14日)發表在《細胞》雜誌上的研究，該實驗對成年後失明的盲人和有視力的參與者都有效。儘管這項技術仍處於早期階段，但植入式設備將來可能會在一定程度上用於刺激大腦和恢復人們的視力。

被稱為視覺假體的植入物被放置在視覺皮層上，然後以特定的模式被刺激以「描繪」參與者隨後可以「看見」的形狀。這些植入物的高級版本可以類似於耳蝸植入物，通過電極刺激內耳神經來幫助增強佩戴者的聽力。

貝勒醫學院的神經科學家麥可·比烏坎普和神經外科醫生丹尼爾·約索爾博士在一封電子郵件中告訴《生活科學》:「這種設備的早期迭代可以檢測出所遇到的形狀的輪廓。」(今年夏天，Yoshor將在賓夕法尼亞大學Perelman醫學院開始新的工作。)「對於許多盲人患者來說，能夠檢測到家人的形狀或進行更獨立的導航將是一大進步。」

目前的研究代表了實現這項技術的一小步。

頭昏眼花

這項研究的作者通過用電流刺激大腦產生所謂的磷化氫來製造字母，磷化氫是一種人們有時能探測到的微小針頭，實際上沒有光線進入眼睛。不像光線從房間裡的物體反射進入你的眼睛，磷化氫看起來像視覺處理系統中的一個怪癖。你「看到」這些點，即使它們實際上並不存在。作者說，例如，當你在黑暗的房間裡揉眼睛時，你可能看到了磷化氫，通常被描述為「看見星星」。

神經外科助理教授、麻省總醫院視覺修復實驗室主任約翰·佩佩·薩裡斯(John Pepe Saris)說，所謂的「機械磷化氫」是當你揉眼睛時出現的星星，古希臘哲學家和生理學家阿爾克米翁首先描述了它。在哈佛大學。沒有參與這項研究的皮扎裡斯說，幾個世紀後的1755年，法國醫生查爾斯·勒羅伊發現，即使是盲人也可以通過用電刺激大腦來產生明亮的磷腈。

佩扎裡斯說，在20世紀60年代，科學家開始使用視覺修復技術。研究人員將電極植入視覺皮層(大腦區域，處理從眼睛傳入的信息)，以產生磷化氫並將其組裝成連貫的形狀。作者指出，科學家認為，如果他們刺激大腦皮層上的多個點，就會出現多個點，並將它們「自動合併」成一種可理解的形式，就像電腦屏幕上的一個像素一樣。

波尚和約索爾說:「然而，大腦比電腦顯示器複雜得多，而且由於我們還沒有完全理解的原因，從磷化合物成分中產生可識別的形式實際上非常困難。」作者在自己的研究中遇到了同樣的障礙，但他找到了一種避免它的方法。

藉助大腦

研究小組在五名研究參與者的視覺皮層上放置電極陣列，其中三人是視覺盲，另外兩人是盲。具體來說，電極位於大腦中一個叫做V1的區域，來自視網膜的信息將被收集起來用於早期處理。有視力的人已經在接受手術，將電極植入他們的大腦，作為癲癇治療的一部分，以監測他們大腦中的癲癇發作活動。當時，盲人參與了一項關於視覺假體和植入電極的獨立研究。

V1就像一張地圖，地圖的不同區域對應於我們視野的不同區域，比如右上或左下。作者發現，如果他們一次激活一個電極，參與者可以可靠地看到他們預測區域(光尖峰)的存在。然而，如果多個電極同時連接，單個磷仍會出現，但不會聚集成一個連貫的形狀。

因此，作者嘗試了不同的策略。他們假設通過「掃描」幾個電極上的電流，他們可以追蹤大腦表面的模式，從而產生可識別的形狀。作者說:「大腦經歷了獨特的調整來檢測我們環境的變化。」因此，他們提出了器官應該跟隨磷化氫的理論。

荷蘭神經科學研究所所長彼得·羅爾塞馬在一封電子郵件中告訴《生活科學》，人工耳蝸使用類似的策略來產生不同的聽覺音調。他說:「假設電極1之間的間距較大，電極2之間的間距較小。」通過讓電流流過兩個電極，「你可以得到電極1和2之間的間距」。

研究作者發現，他們可以在視覺上做類似的事情。它們可能在兩個獨立電極的位置之間產生磷化氫，從而連接它們之間的點。運用這種技巧，作者在V1的表面畫出了「W」、「S」和「Z」等字母形狀。形狀必須上下顛倒，這就是視覺信息通常從我們的眼睛到達視覺皮層的方式。

最後，研究參與者可以看到被跟蹤的形狀，並在觸控螢幕上精確地重現它們。當參與研究的人開始在腦海中看到字母時，「我認為他們至少和我們一樣興奮，甚至更興奮！」波尚和約索爾告訴《生活科學》。

此圖像顯示了由不同的動態刺激模式創建的不同字母形狀(W和Z)，左側是刺激模式，右側是參與者模式。

展望未來

羅爾塞馬在《細胞》雜誌的一封信中寫道:「在將這項研究應用於有用的視覺假體之前，仍有許多挑戰需要克服」。

作者說，在未來，視力修復可能包括「數千個電極」，而這項研究只使用了幾十個。此外，他們補充道:「這些電極可以設計成穿透大腦皮層，使電極尖端更接近大腦皮層表面下數百微米的神經元。」

皮扎·裡斯說，電極穿透大腦產生的磷化氫比大腦表面的電極產生的電場更弱。他指出，表面電極使用強電場到達組織中的腦細胞，有時同時刺激相鄰或重疊的細胞。

羅爾夫塞瑪告訴《生活科學》，為了讓視覺假體正常工作，需要發明新的電極，這種電極可以與大腦組織長時間兼容。他說:「目前進入大腦的電極會造成損傷，並且不能長時間工作。」然而，表面電極可能對某些病人最有效，這取決於電極植入大腦深處的風險。他說:「失明有多種原因。」一些患者可能從深度植入電極中受益最大，其他人將從表面電極中受益，而其他人將直接從視網膜植入假體，只需要眼睛手術。

博山和亞瑟說，最重要的是，「為了讓視力修復設備對盲人患者真正有用，他們必須提高生活質量。」。這意味著，除了優化物理電極及其操作方法，科學家還必須開發可靠的軟體來幫助用戶過濾和處理視覺信息。組裝完成後，整個系統必須足夠有用，這樣人們才能真正使用它。

「從根本上說，我們必須記住的一點是，失明並不是一種威脅生命的疾病，所以我們需要在風險和足夠的利益之間取得平衡，」佩扎雷特在談到視覺假體時說。