撰文 | Katherina
責編 | 兮
大多數後天失明的患者，只是眼睛或視神經受損，由此，人們開發出一種繞過眼睛和視神經的視覺皮層假體（visual cortical prosthetic，VCP)裝置，它可以直接將來自攝像機的視覺信息傳輸到視覺皮層。VCP基於的理論是視覺皮層帶上電流，就能產生一種微小的閃光現象。人們猜測這種閃光類似於計算機顯示器上的像素，當它們結合在一起時就會產生連貫的圖像。在早期測試VCP時，當刺激多個電極時，智能感知多個孤立存在的閃光現象，並不能結合成連貫的圖像。
2018年，來自美國貝勒醫學院的Daniel Yoshor教授和William H.Bosking教授團隊在進行癲癇術前評估時，給視力正常的受試者體內植入顱內電極後也發現了同樣的問題。
2020年5月14日，Yoshor教授與Bosking教授團隊繼續合作在Cell雜誌上發表題為 Dynamic Stimulation of Visual Cortex Produces Form Vision in Sighted and Blind Humans 的研究論文，開發了一種新型替代方法來克服上述問題：通過動態激活一系列電極從而在視覺皮層表面描繪出連貫的圖形形狀。
現有的VCP中使用類似於多探針的電刺激模式：一次同時刺激多個電極或者時間上僅有微小偏差，導致不連貫的感知信息(圖1C)。該團隊應用的新模式是通過動態化的方式刺激電極，在皮層表面形成想要感知的字母「Z」(圖1D)。其實，這跟在手掌上畫字一樣。如果僅是在手掌上按多個點很難去把它想成一個連貫的形狀(圖1A)，而動態移動一個按壓點，卻可以讓我們感知到是「Z」這個形狀(圖1B)。感知動態刺激的這些電極位於離散的位置，並且需要額外的技術方式來將這些動態刺激轉化成能夠連續刺激大腦皮層的軌跡。這項技術被稱為電流引導：如果電流流過兩個相鄰的電極，則會在它們之間產生一個虛擬電極。通過改變傳遞到相鄰電極之間的電流量，可以沿著這兩個電極之間的線段將虛擬電極定位到不同位置。
圖1
在該團隊的研究中，他們將電極植入一位盲人靠近距狀溝的枕葉內側壁上，即初級視覺皮層位置。然後將包含60Hz的100毫秒電脈衝傳送到兩個附近的電極上，產生五種不同的傳輸到每個電極的電流量水平。在第一刺激水平下，100毫秒的脈衝序列和3.6mA的基礎電流被傳送的靠近前端的電極F01，而沒有電流傳輸到電極F03（記錄F01:100%，F03:0%），在此過程中參與者03-281報告了位於視野右上方的單個閃光，並記錄下其在觸控螢幕上的位置。重複十次實驗後，取平均位置為方位角13.3，仰角2.1處(中心位置：13.3,2.1)，分散度(1.0，0.5)。在第五刺激水平下，4mA電流被傳送到靠後端的電極F03，而沒有電流傳輸到電極F01(記錄F01:0%，F03:100%)；中心位置：5.4，2.2；分散度： 0.9，0.6。
與已知的視覺皮層視黃醛色素組織一致，F03比F01閃現的位置更靠近中心。而在中間水平電流刺激條件下，電流以不同比例傳遞到兩個電極，目的在於利用電流引導技術在兩個物理電極之間創造出虛擬電極。在第二刺激水平，F01:80%, F03:50%；中心位置：11.4，2.1；分散度： 0.5，0.3。在第三刺激水平，F01:70%，F03:70%；中心位置：9.8，2.1；分散度： 0.4，0.3；在第四刺激水平，F01:50%，F03:80%；中心位置：8.0，2.2；分散度： 0.5，0.3。沿著大腦舌回部前後的五個電極位置進行120Hz脈衝電流先增後降的電流刺激，可以產生沿著腦回部從前向後移動的虛擬電極。受試者表示有八成（最高為十成）的感覺是如圖2所示的一條線。
圖2
當研究人員發現使用動態刺激可以在視力情況正常的受試者體內創建字母感知之後，他們將五個電極植入盲人受試者的視皮層內壁，分別刺激每個電極之後，每個電極產生一種離散的閃光。通過追蹤每個電極閃光的圖譜，七種不同的動態刺激序列會產生與之相對應的七種字母樣的形狀。研究者通過關聯並進行多維縮放和k均值聚類，將每一種動態刺激相對應的那種字母形狀進行量化處理。只需要改變刺激盲人受試者體內電極的順序即可感知多種字母形狀，並可靠繪製和區分這些字母形狀。
動態電流刺激與以往的電流刺激視覺感知研究最大的不同之處在於，一系列的電流刺激與傳遞給受試者的感知形狀有關，而不遵循固定的順序。按照以往的方式一次刺激多個電極，生成的閃光之間會產生相互作用，經常會聚集成一個無法被識別形狀的閃光。而動態刺激電流可以避免此類情況的產生，從而提高了可生成圖案的有效空間解析度。將動態刺激電流和動態電流控制與新興高密度電極網絡電刺激等手段結合，可以幫助盲人恢復有用的視覺功能，並在其他VCP應用中更有效地進行信息轉換。