腦海成像術在大腦裡「畫」出字母「眼冒金星」能讓盲人重見光明

◎賀賀

很多人都有「眼冒金星」的經歷，比如因為飢餓或者過度勞累等都會發生這種現象，其實盲人也會「眼冒金星」。科學家把這種情況叫「光幻視」，利用這種原理結合電極和電刺激等前沿技術，有望讓盲人重見光明，目前已用這種技術讓盲人能「看」到簡單的字母和圖形。

人眼結構示意圖

當你久坐或久蹲後猛然起身，或者「嘭」的一聲被飛來的足球砸中腦袋，相信會有「眼冒金星」的感覺。人們常說「眼見為實」，可你眼前這種「金星」和看見別的東西不太一樣，因為「金星」並不實際存在，你卻「看見」了它們，哪怕閉上眼睛還是「依稀可見」，這是眼睛出了問題嗎？

我們是用「大腦」看世界

每天我們用眼睛來看路、看新聞、看朋友圈、看食物、看美景。沒有了眼睛，我們什麼都看不到了。可你確定是「眼睛在看」嗎？美國威斯康辛大學保羅·利塔教授的團隊有一個顛覆常識的發現：人類是用大腦在看世界，而不是我們一直以為的眼睛。

我們看見事物的過程分為眼睛成像和視覺信號處理兩個過程。

眼睛成像是一個光學過程，來自無窮遠處的平行光從空氣進入眼睛內，依次通過由淚膜、角膜、房水、晶狀體、玻璃體組成的凸透鏡屈光介質，最終平行光在視網膜上聚焦成像，物體以光信號的形式傳遞到了視網膜上。接收到光信號以後，視網膜上的視錐細胞和視杆細胞會把光信號轉換成電信號。隨後，電信號通過視覺神經系統傳遞到大腦的視覺中樞，視覺中樞識別並處理這些包含物體顏色、形狀、大小、遠近等電信號組成的視覺信息，最終大腦反饋並告知我們看到的是人還是狗、朋友還是敵人。

因此，眼睛成像和視覺信號處理過程中任何一個環節出問題都會導致我們「看不見」。

當你走到一個伸手不見五指的地方就會變成「兩眼一抹黑」，這是因為眼睛無法接受光線的刺激，不會發生眼睛成像的過程，視覺中樞便不進行信號處理，大腦自然也就沒有任何信息會反饋給我們，因此我們就什麼都看不見。

然而，有時候某些物體雖然通過光線刺激了我們的感光細胞，但因為視覺神經系統的注意力並不在此，導致我們「看不到」。有一個著名的注意力實驗，主持人要求大家統計在一個約30秒的視頻內總共傳遞了幾次籃球。實驗結束後，大家都可以回答出總共傳遞了幾次籃球，然而當被問到是否看見視頻裡有一隻黑猩猩的時候，結果只有少數人舉手。一隻在平時一定會注意到的黑猩猩，可當大家注意力不在這裡的時候，視覺中樞沒對眼睛接收到的視覺信息進行處理，導致「視而不見」。

因此，保羅·利塔總結說：「眼睛只是負責接收光信號，大腦才是負責看的。」

人類看見東西的過程示意圖

大腦光電信號轉換會出錯

就拿「眼冒金星」來說，為何並不存在的「金星」會讓你有視覺效果？

其實，在人類用大腦「看」世界的過程中，視覺中樞不僅將物體的電信號翻譯成視覺信息，也會將眼前出現的各種異常光感、人腦受到重擊等「翻譯」成視覺信息再反饋給大腦，但神經細胞最終解讀出來的圖像就類似「滿天星光」。

當你久坐或久蹲後突然起身、身體疲憊或飢餓、精神受到嚴重刺激時，眼部供血不足會造成視網膜暫時缺血，從而引起視網膜成像和信號轉換功能異常，最終導致大腦「看」到的是閃光的星星。

在生活中，很多人在久坐後猛然起身，都會出現「眼冒金星」的情況。

此外，在腦部受到撞擊或刺激影響時，會出現短暫的眼冒金星，主要原因是大腦在受到撞擊和刺激後，視網膜上的視錐細胞和視杆細胞發生顫動，並導致光電信號轉換錯誤，同時電信號傳遞過程也受到影響，因此成像紊亂，讓你眼冒金星。

「眼冒金星」最早被古希臘哲學家和生理學家阿爾克梅恩描述為「光幻視」

有望幫盲人「看」到世界

眼冒金星這種現象最早被古希臘哲學家和生理學家阿爾克梅恩描述為「光幻視」，他認為這是機械力作用於眼球時，視網膜上的神經細胞產生的光反應。1755年，法國醫生查爾斯勒·羅·伊發現，控制光幻視現象的是大腦的初級視覺皮層（也稱作V1區），這個區域在失明數十年後並不會受到損害，這就為盲人復明提供了可能性。

美國麻省理工學院的彼特·希勒博士就帶著這個念頭對光幻視開始了探索。

美國麻省理工學院腦與認知科學系神經科學教授彼得·希勒

希勒對恆河猴進行了特殊訓練，讓它們在視野中出現兩個點時目光再移向更大更亮的點，隨後將電極嵌入恆河猴的V1區，並產生不同大小的「金星」讓猴們判斷大小。在重複了70多次實驗後，猴子「告訴」實驗者們「金星」的大小約為9~26弧分（60弧分為1度），而且改變電極電流大小對猴子判斷「金星」大小几乎沒有影響。

希勒還做了一個背景轉換實驗，研究了「金星」是什麼顏色。猴子的視野中心預設一個很小的光點作對照點，電極激發產生的光點則作為實驗點出現在對照點下方。不斷改變視野中背景顏色，當背景顏色與實驗顏色不同時，猴子會一直盯著實驗點。一旦背景顏色與實驗顏色相同，實驗點消失，猴子的目光便會上移，看著中心的對照點，這時研究者便知道電極激發產生的光點顏色即為當前的背景色。同樣經過70多次實驗後，研究者發現「金星」色彩多變，包括灰暗的粉色、藍色、綠色、黃色等。

研究人員在受試者大腦皮層上「繪製」圖形的輪廓，他們「看」到了圖形，還能在觸控螢幕上準確再現腦海中的圖形

希勒的終極目標是利用一臺電腦將攝像機和刺激人腦視覺皮層的電極連接起來，將攝像機拍下的景象轉換成刺激人腦的電信號，使產生的「金星」組成相應的圖像，這或許能讓盲人以一種獨特的方式「看見」世界。

視覺殘疾群體日益擴大

很多人都會發現自己的視力不斷衰退，身邊盲人和視覺嚴重受損的病患也日益增加。據相關媒體統計資料顯示，我國約14億人中，視力殘疾的患病率為1.53%，人數高達2142萬人。

2018年，世界衛生組織統計全球約有盲人3600萬人，研究人員表示，在未來的40年裡全球盲人數量將增兩倍。英國知名醫學雜誌《柳葉刀·全球健康》發文預測，如果不投資改善治療盲人情況，到2050年，全球盲人病例將增加到1.15億。此外，來自188個國家的數據分析顯示，超過2億人患有重度視力障礙，到2050年將上升到5.5億。

隨著盲人的增多和視覺衰減群體的日益擴大，倘若通過人工視覺使得希勒的技術得以實現，盲人眼中的「金星」或許可以照亮他們的世界。

腦海成像術在盲人腦海畫出字母

早在上世紀60年代，科學家就提出了人工視覺的想法：他們假設刺激大腦皮層的多個點會出現多個光幻視，這些光幻視會「自動結合」成可被理解的形式，就像電腦屏幕上的多個單像素可以組成特定圖案。可人類大腦遠比電腦顯示器複雜，從光幻視的組合中產生可識別的形式還是非常困難的。美國貝勒醫學院丹尼爾·約瑟教授的團隊歷盡千辛萬苦，找到了在受試者腦海中呈現出指定圖像的方法。

對絕大多數盲人來說，失明主要是由於眼睛或視神經受損，但他們的大腦與常人沒什麼不同。丹尼爾團隊直接繞過受損的眼睛和視神經，並將圖像信息進行人工處理和編碼後，利用插入視覺皮層的微電極陣列對神經系統進行刺激，從而讓盲人恢復部分視力。

腦機交互示意圖

研究人員在5名受試者大腦皮層放置了電極陣列，其中3人視力受損但沒完全失明，2人完全失明。如果一次激活一個電極，受試者能在其預測區域內看到一個光幻視（針尖狀的光）出現；如果同時激活不同的電極，讓其排列組成字母「Z」，單個的光幻視還有，但受試者僅能看到一些沒有意義的圖形，無法看到字母「Z」。

受在手心書寫的方式會讓患者產生對所寫字母形成連貫感知的啟發，丹尼爾做了嘗試：結合電流轉向和動態刺激通過精準的電流控制，依次激活電極陣列上不同的電極，使得這些電極排列組成字母「Z」，在5名受試者大腦皮層上繪製字母「Z」的輪廓，結果他們都「看」到了字母「Z」的存在，並能在觸控螢幕上準確地再現字母「Z」。

實驗結果表明：盲人可以利用動態激活電極方式直接將視覺信息輸入大腦，以此來重新獲得識別視覺信息的能力。

還有諸多瓶頸待突破

然而，要把丹尼爾團隊的研究應用到人工視覺上，還存在許多挑戰。

研究人員只是刺激了大腦皮層的一小部分神經元，僅實現了字母信息的傳遞。但人類的視覺皮層包含了數十億個神經元，要實現人工視覺就需要成千上萬個電極。要傳遞更加複雜的圖案，成千上萬個大腦皮層電極還需設計成穿透視覺皮層的方案，讓電極尖端更接近位於皮層表面下幾百微米的神經元。

還有，大腦皮層電極的激活需要強電場，可讓穿透大腦皮層的電極產生精確的光幻視所需要的電場就弱得多。為了激活不同的電極，就要製造出適應大腦皮層和穿透皮層需所需的不同強度的電場。此外，讓人工視覺長久運轉，還要發明能長時間與腦組織相容的新電極。然而，目前傳輸電信號到大腦的電極不僅會造成大腦損傷，而且作用時間不夠長。另外，不同失明患者所需要的電極不同，有些患者可能更適合植入深層電極，有些患者可能更適合大腦皮層電極。

更重要的是，在一系列的人工視覺設備實驗中所使用的電極是插入式直接接觸大腦，會造成腦組織損傷、大腦炎症以及留下傷疤等，都會導致電極與腦細胞之間電流傳輸效率降低。

植入大腦的電極陣列上有100個電極，看起來就像一個微型釘床。

新型線圈克難攻堅

為了解決上述問題，哈佛大學醫學院開啟了一項全新實驗：給猴子大腦中包裹一連串毛髮狀的微型線圈持續產生定向磁場，以刺激腦組織中的特定區域，向猴子大腦中不斷傳輸數據。

電極刺激大腦示意圖

首先，不同於電極產生的電場，由線圈磁力刺激產生的電場極其不對稱，科學家可以選擇性地激活所需神經元，而不會干擾到其他神經元。其次，線圈磁場很容易穿過生物組織，即便是在線圈被牢牢包裹的情況下也會持續發揮作用，微型線圈的刺激效果十分穩定。還有，微型線圈和神經組織之間沒有直接的電流接觸，大腦也就不存在腦組織損傷、大腦炎症和結巴等風險，微型線圈更加安全。

圖中所示的微型線圈可以刺激腦組織內的電流活動

發明這一微型線圈的施樂凱公司帕克研究中心預期，新型線圈將極大提升實驗對象的空間定位能力，受試者在物體識別、運動檢測、複雜區域導航和躲避障礙物的能力都會得到改善。

靠譜的軟體更重要

要使人工視覺設備真正對盲人有用，除了優化物理電極及操作方式，科學家還必須開發出可靠的軟體，改進刺激算法，幫助過濾和處理用戶視覺信息，來實現大腦和軟體的交互，從而讓盲人「復明」。

大腦的電信號：每個方框代表一個電極，方框內的波浪線表示神經元釋放的電信號。

西班牙米格爾·埃爾南德斯大學完成了一項腦機交互的實驗，57歲的伯納德塔·戈麥斯在經歷了16年的黑暗之後，終於能看到發光的黃白色圓點和形狀——一個低解析度世界。戈麥斯佩戴一副塗黑且配備微型攝像機的特製眼鏡，這副眼鏡連接的計算機系統可處理實時視頻輸入，並將其轉換為電信號。電信號先通過連接計算機系統與戈麥斯的電纜和埠，然後傳輸到與埠相連的植入在腦後視覺皮層的100根電極。

57歲的伯納德塔·戈麥斯在經歷了16年的黑暗之後，終於可以看到一個低解析度的世界。

藉助這一系統，戈麥斯能「看」到天花板上的燈、字母、印刷在紙上的基本形狀，還有人。她甚至還玩了一個類似《吃豆人》的遊戲，這個簡單的遊戲也是直接輸送到她的大腦的。

通過腦機交互直接向大腦傳輸信號能讓失明患者重見光明，這聽起來確實大膽。想像一下，未來的某一天，一位盲人走進一間手術室，然後醫生在他大腦中植入電極，所有電極的植入速度和效率都如做雷射近視眼科手術時一樣快。手術結束後，通過一款簡單的手機軟體將攝像頭採集的視頻通過無線信號傳輸至大腦電極，盲人就可以看到色彩繽紛的世界。當然，實現這一步，還需要各國科學家長期的努力。

（本文寫作中參考了美國《科學美國人》雜誌、英國《柳葉刀》雜誌等網站，以及我國《2006年第二次全國殘疾人抽樣調查主要數據公報》的信息，在此一併致謝！）

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責編：季江雲

網編：庹解語