科學家將大腦植入物繞過眼睛可使盲人重見光明，治癒失明指日可待

2020-12-05 鈦媒體APP

圖片來源@視覺中國

文 | 學術頭條

俗話說，耳聽為虛眼見為實，但在各種科幻技術不斷衝進現實的今天，你敢說你看到的就是真的嗎？

近日，荷蘭神經科學研究所 (NIN) 的一項最新發現表明，通過在大腦視覺皮層中植入新開發的高解析度電極，可以使受試猴子大腦中出現人工植入的視覺形狀和知覺。具體而言，這個包含 1000 多個微小的、刺激大腦的電極植入物，可以在猴子的大腦中產生可識別的運動和複雜形狀的感知，包括字母表中的字母。

這一重磅成果發表在 12 月 4 日最新一期的《科學》雜誌上。

（來源：Science）

通過電極植入物刺激大腦產生人工視覺感知的想法並不新鮮，甚至可以追溯到 20 世紀 70 年代。然而，現有的系統一次只能生成少量的人工 「像素」，受試者難以形成可以感知的有效信號。

而由荷蘭神經科學研究所 Pieter Roelfsema 領導的研究小組，通過使用全新解析度的植入物和植入技術、尖端材料工程、微晶片製造和微電子技術，開發出比以前的植入物更加穩定和耐用的設備。

當然，這樣的前沿技術更實際的應用場景，還是幫助盲人和視力障礙者重見光明。而且研究人員通過動物已經證明，通過大腦植入物使盲人恢復視力，即將成為現實。

人工植入視覺

以往在人類和動物身上進行的實驗表明，當電流刺激通過植入電極傳遞到大腦特殊位置時，大腦就會在視覺空間的特定位置產生一個光點，這被稱為 「光幻視（phosphene）」。

根據受到刺激的神經元的具體位置和大小，受試者就可以感知到對大腦視覺皮層的電刺激產生的這種短暫的、明亮的閃光幻視。

（來源：NIN）

基於此開發的繞過眼睛直接在大腦皮層中產生視覺信號的電極植入物，已經成為人類皮質視覺假體（CVPs）設計的基礎，理想狀態下，它可以將人工生成的圖像轉換成大腦刺激信號，以在盲人大腦中創造出一種可以感知的視覺形式。

但是，一直以來許多研究受到電極位置和功率要求的限制，可以同時實現安全刺激的電極數量十分有限，最終誘發的光幻視感知也十分簡單。

在《科學》雜誌發表的這項最新研究中，Pieter Roelfsema 和他的同事們開發了一個高解析度的神經假體，包含 1024 個以類似矩陣模式排列的皮質內電極。

為了測試這個系統，研究人員將這個電極裝置植入了兩隻猴子的大腦視覺皮層，這些猴子接受了識別特定形狀的訓練，包括字母。然後，同時刺激數百個電極，研究人員通過光幻視創造了猴子能夠感知的視覺形狀，而且實驗結果表明，猴子能夠立即識別出這些特定視覺形狀，就像它們真的通過眼睛看見了一樣。

圖 | 腦部刺激產生人造視覺（來源：Science）

具體而言，研究人員首先讓受試猴子完成一個簡單的行為任務，在這個任務中，猴子們需要通過眼球運動來報告通過單個刺激產生的光幻視的位置；之後，研究人員又測試更複雜的任務，比如一個運動方向的任務，在這個實驗中，會對一系列電極進行微刺激；此外，還有一個字母識別任務，在這個任務中，8-15 個電極同時受到微刺激，創造一個字母形式的感知。

最終結果顯示，猴子們可以利用人工植入的視覺成功地識別出形狀和感知，包括移動的點、線條和字母。

重見光明的希望

對於全球 4000 多萬盲人來說，重見光明曾經是一個遙不可及的夢想。

儘管在 「仿生眼」 成為現實之前，仍有幾個技術障礙有待克服，但這項最新研究已經帶來了希望，即該設備有朝一日可能為全世界的視力障礙者帶來有用的視覺功能。

研究人員表示，這項新研究為使用微電刺激視覺皮層創造人工視覺，提供了概念上的證明。《科學》雜誌配發的評論文章也指出，該研究為下一代視皮層視覺假體（CVPs）設定了一個新的基準，證明 1000 個電極足以產生字母、方向和運動感知。

Roelfsema 表示，他們的目標是通過多個電極同時進行電刺激來創造可解釋的圖像，以產生一個由多個光幻視點組成的知覺。「我們植入視覺皮層的電極的數量，以及我們能夠產生產生高解析度人工圖像的人工像素的數量，都是前所未有的。」

「我們的植入物直接與大腦連接，繞過了之前通過眼睛或視神經進行的視覺處理。因此，在未來，這種技術可以用於視網膜、眼睛或視神經受傷或退化但視覺皮質完好無損的盲人的視力損失恢復。」Roelfsema 團隊的博士後研究員 Xing Chen 解釋說。

總而言之，這項研究為全新神經假體裝置的研製奠定了基礎，有望使重度盲人重獲視覺功能，並能識別物體，顯著提高這部分人群在社會活動中的獨立性和生活質量。

治癒失明，僅一步之遙

實際上，近年來隨著腦科學研究的深入，以及腦機接口技術的發展，能夠讓盲人看見東西的高科技設備已經不再遙遠。

視皮層視覺假體（CVPs）又名 「仿生眼」，是一種將圖像信息進行人工處理與編碼，通過插入的微電極陣列對視覺神經系統進行刺激，使盲人恢復部分視力的人造器官。

早在 1996 年，來自美國猶他州的世界著名高等學府猶他大學的研究人員就成功開發出了視皮層視覺假體，長度為 1.5 mm 的 100 個針狀電極呈 10×10 正方形排列在厚 0.2 mm、面積為 12.96mm2 的金屬薄片上。

在當時的實驗中，研究人員將電極植入患者腦內，刺激大腦皮層，成功讓患者產生了 「光幻覺」，患者可以描述研究人員預測的顏色，並且跟隨光斑的位置轉動眼球。

今年 5 月，國際頂級期刊《細胞》雜誌也發表了一項黑科技成果，來自美國貝勒醫學院 Daniel Yoshor 教授帶領的研究團隊，通過動態電流電極刺激大腦皮層，成功在受試者腦海中呈現指定的圖像。

（來源：Cell）

在當時的試驗中，研究人員在四個視力受損但沒有完全失明，以及 2 個完全失明患者的大腦視覺皮層內植入這種電極，然後依次激活不同的電極，繪製字母 「Z」 的輪廓，結果這 6 名受試者都 「看到」 了字母 「Z」 的存在。

而今年 9 月，澳大利亞墨爾本莫納什大學研究人員發表文章稱，他們開發出了一款仿生眼，可以通過結合智慧型手機式電子設備和植入大腦的微電極使盲人恢復視力。在預臨床實驗和非人類試驗證實該設備用於綿羊時，超過 2700 小時的刺激過程中，均未引起廣泛的組織損傷。這也是世界上首次將 「仿生眼」 完全植入大腦進行的長期實驗之一。

研究人員還表示，他們正積極準備開展人體臨床試驗，並希望最終在全球範圍內生產該設備。研究人員還希望該系統可以幫助患有神經系統疾病（如肢體麻木）的患者恢復運動。

12月3日，學術君還報導了最新一期Nature雜誌封面文章《Nature封面：逆轉衰老時鐘！科學家成功恢復與年齡有關的視覺喪失》，讓我們見識了通過另一種技術手段治癒失明的希望。

我們相信不遠的將來，在盲人大腦中人工植入視覺以恢復視力，一定會成為現實。而這一天如果真的到來，這項向大腦中植入人工信息的技術，所能應用的場景絕非僅限於恢復視力。

參考資料：

https://science.sciencemag.org/cgi/doi/10.1126/science.abd7435

https://science.sciencemag.org/cgi/doi/10.1126/science.abf3684

https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-12/aaft-hbp113020.php

https://nin.nl/restoration-of-vision/https://www.nationalgeographic.com.es/ciencia/paso-mas-cerca-curar-ceguera_16132

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