重磅研究為盲人復明提供新的可能

科學家們將一枚晶片植入猴子大腦的視覺皮層、施加電刺激後，猴子們能夠「看到」真實世界中並不存在的光信號，並能辨別出這些「人造幻覺」的形狀與運動信息。

圖片來源：Pixabay
讓失明患者們重獲光明的理想或許能夠實現了。一項 12 月 3 日發表在《科學》（Science）上的新研究顯示，科學家們將一枚搭載著 1024 個電極的晶片植入猴子大腦的視覺皮層、施加電刺激後，猴子們能夠「看到」真實世界中並不存在的光信號，並能辨別出這些「人造幻覺」的形狀與運動信息。
光幻視與視覺假體
70 多年前，科學家們就已經發現了光幻視（phosphene）現象能被人為地引發：我們可以跳過視網膜的輸入，直接給大腦的視覺中樞施與一次電刺激，在視覺空間的特定位置產生一個光點，讓被試「看到」本不存在的視覺信號。這一發現讓不少學者走上了開發視皮層假體（cortical visual prostheses）的道路，希望通過直接刺激視覺皮層，使後天失明的盲人恢復視力。然而，自上世紀 70 年代第一代視覺假體誕生以來，這一研究領域一直沒能得到長足的進步——外來電刺激產生的光幻視信號大多是非常單一且數量較少的「人工像素點」，這距離幫助喪失了視力的後天性眼盲人群回歸正常生活還有相當一段距離。
在這項新研究中，由 Pieter Roelfsema 帶領的荷蘭神經學研究所的團隊運用了更加穩定耐用的新技術，卓有成效地推動了視覺假體技術繼續向前。他們研發出了由 1024 個電極組成的植入晶片，並將其植入到了兩隻視覺能力正常的猴子的視覺皮層中。他們的目標是，通過晶片中不同電極同時產生多個電刺激，能夠在猴子的大腦中激活一個由多個光幻視（點）組成的可理解的圖像。
要做到這一點，首先需要找到一個恰當強度的「輸入信號」。在自然視覺產生的過程中，來自視覺場景的信息會依次從視網膜傳遞至丘腦，再到初級視覺皮層 V1 區域，隨後進入更高級的視覺中樞 V4 區域。對於視皮層假體來說，每個電極的電刺激強度既不能太弱（產生不了可被檢測的光幻視），也不能太強（讓光幻視溢出到更大的空間區域）。這就需要研究者和參與者一起耗費大量的時間對電刺激進行校準，弄明白每個電極的不同電刺激強度下會產生什麼樣的效果。新研究找到了一個快速解決這一問題的方法：他們使用猴子 V1 腦區處的電極進行刺激，然後在更高級的 V4 腦區進行記錄，根據 V4 神經元的反應估算合適的 V1 刺激強度，並且可以針對多個電極自動快速進行。
值得一提的是，新研究使用的電極直接植入了皮層，因此極大地降低了對刺激電流強度的要求——僅有美國食品和藥品管理局（FDA）批准的置於皮層外部（硬膜下電極）刺激強度的十分之一乃至百分之一。
「看到」不存在的圖像
尋找到合適的「輸入強度」後，就可以考慮如何讓猴子「看到」更複雜的圖像了。在過往的研究中，我們已經知道人類視覺場景中的每個位置與大腦中視覺皮層中的每個位置之間存在有序的映射地圖，如果在相應的位置植入由多個電極組成的陣列並給與電刺激刺激，大腦就能像一個個燈泡組成燈牌那樣，產生視覺畫面。對於非人靈長類動物來說，由於它們與人類的視覺皮層相似度較高，因此也可以適用上述原則。
在這項新研究中，學者們開發的晶片包含 16 個陣列，每個陣列 64 個電極，共計 1024 個，遠高於美國 FDA 曾經批准的臨床試驗中使用的 60 個電極的視皮層假體。這意味著研究者能夠將猴子腦海中的光幻視點排列成更複雜的形狀——比如不同的字母。雖然這些「被試」們無法用言語表達自己究竟看到了什麼，但是它們在經過訓練後能辨識這些圖案，並且成功地完成了任務。

「看到」不存在的字母。圖片來源：論文
除了「認字母」，研究者還測試了裝入視皮層假體的猴子對運動的光幻視信號的辨認情況。只要令猴子腦內的電極按順序放電，就能形成一個視覺效果上正在移動的光點。而猴子在感知到這個光幻視的位置後，眼睛會隨之轉動。研究者們利用眼動設備追蹤猴子的表現後發現，它成功地辨認出了實際上不存在的「運動光點」。

「看到」不存在的移動光點。圖片來源：論文
研究負責人 Roelfsema 表示，「此次植入晶片的電極個數與其所產生的人工圖像的解析度之高都是前所未有的。」
人工視覺的未來
「我們的植入設備能夠繞過由眼睛與視神經組成的視覺輸入通路，直接向大腦傳遞信息。因此，利用這項技術，我們可以幫助由於視網膜損傷或退化導致失明的人群重獲基礎視力，」 Roelfsema 團隊的博士後、論文一作 Xing Chen 這樣評論道。
毫無疑問，這項研究為神經假體設備的應用建立了基礎。在未來，這類技術或許能夠幫助完全失明的人群重獲功能性視覺（functional vision），進行物體識別、陌生環境導航等應用，提高他們的生活自主性。
不過，要實現這個美好的未來願景，科學家們仍然需要解決不少問題。在《科學》同期發表的評論文章中，美國賓夕法尼亞大學佩雷爾曼醫學院的神經外科學者 Michael S. Beauchamp 和 Daniel Yoshor 指出這個最新的「人工視覺」設備仍存在技術和生物學上的局限。首先，新研究使用的植入電極陣列依然是有線設備，但如果進入臨床應用，長期植入人體的關鍵性部件必須使用無線設備。其次，利用光幻視原理構建出的「畫面」依然是單調的閃爍光點，這與自然視覺產生的豐富色彩和樣式天差地別。他們認為，造成這種差異的可能原因是刺激 V1 區域的神經元產生的是基礎性的、相對簡單的感知（例如光幻視點的移動方向），而負責加工產生顏色或者面部信息的是更高級的視覺腦區——如果想要產生更貼近自然狀態的視覺圖像，在未來的研究中將 V4 等區域囊括進刺激範圍或許是一個值得探索的嘗試。
所幸，生物相容性無線設備已經取得了長足的進步，急速發展的計算機科學得以讓越來越多的高級模擬算法彌補電極數量的不足。研究者們可以通過控制電刺激的序列和模式，產生更多更複雜的「光幻視圖像」，傳遞更多信息。未來，我們甚至可以找到將真實的視覺場景轉換為大腦刺激模式的方法，讓機器視覺算法根據具體環境提取關鍵信息輸入大腦，例如在導航任務中，通過識別真實世界中的箭頭形狀，向大腦輸入正確的航向信息。正如 Beauchamp 和 Yoshor 在評論文章中所說，「經過數十年的試錯，視皮層假體迎來了光明的未來」，令盲人復明的希望，終將依靠科學的力量實現。
論文信息：
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
主要編譯來源：
https://eurekalert.org/emb_releases/2020-12/nifn-mtb112420.php
https://science.sciencemag.org/content/370/6521/1168