失明患者也能用!這項大腦植入技術不用眼睛也能「看到」字母
譚一凡 / 何渝婷編譯
2020-07-28 14:40

(示意圖/取自pixabay)

讓失明患者重新看見世界,這樣的設想在未來可能不只會出現在科幻電影裡。科學家正在研究一種新模式,將電流傳送到大腦,幫助失明者看到不存在的字母。

這項發表在《細胞》雜誌上的研究表明,這種方式對於視力正常的人和成年後失明的參與者都有效。儘管該技術仍處於早期階段,但植入的設備在未來有可能用於刺激大腦,並在一定程度上恢復人們的視力。

該實驗將一種被稱為視覺修復術的植入物,放置在視覺皮層上(大腦區域,該區域負責處理來自眼睛的傳入資訊)進行刺激,進而「追蹤」到參與者能夠「看到」的形狀。這些植入物與人工耳蝸植入物的工作原理類似,後者是通過電極刺激內耳神經,來幫助提高佩戴者的聽力。

實驗發起人貝勒醫學院(Baylor College of Medicine)的神經學家比徹姆,和神經外科醫生約索爾表示:「實驗可以檢測遇到的形狀輪廓,檢測家庭成員形態或者進行更獨立的導航,這對許多盲人來說,將是一個了不起的進步。」

以前的研究者曾經嘗試通過用電流刺激大腦,從而利用產生的磷化氫來製作字母。磷化氫是人們有時會察覺到的細小光針刺,但實際上沒有任何光進入眼睛。與光線從房間裡的物體反射進入眼睛不同,磷化物表現為視覺處理系統的一種奇怪現象:你能「看到」這些光點,儘管它們實際上並不在那裡。

麻薩諸塞州視覺修復實驗室主任、哈佛大學神經外科助理教授佩扎利斯表示,當你揉揉眼睛時出現的星星被稱為「機械光斑」,最早是由古希臘哲學家、生理學家阿爾克邁發現的。在幾個世紀後的1755年,法國內科醫生羅伊發現,用電刺激大腦,即使在盲人中也可以產生鮮艷的磷化氫。

佩扎利斯還稱,在20世紀60年代,科學家們已經開始萌生了帶著假體的想法進行研究。研究人員將電極植入視覺皮層,目的是生成磷化氫並將其組裝成連貫的形狀。科學家們假設,如果他們刺激大腦皮層上的多個點位,就會出現多個磷斑,並「自動合併」成可理解的形式,就像電腦屏幕上的單個像素一樣。

「但是,大腦遠比電腦顯示器複雜,由於我們尚未完全理解,實際上很難用磷化合物組合產生可辨識的形狀。」比徹姆和約索爾兩位研究者在自己的研究中也遇到了同樣的障礙,但他們找到了一種規避的方法。

研究小組在五名參與者的視覺皮質上鋪設了電極陣列,其中三人視力正常,兩人失明。

具體而言,電極位於被稱為V1的大腦區域上,來自視網膜的資訊被收集到這裡進行早期處理。視力正常的人因為患有癲癇,已經接受了手術,將電極植入他們的大腦,用以監測他們的大腦活動。盲人則參加了一項單獨的研究視覺假體的研究,並在當時植入了電極。

V1就像一張地圖,地圖的不同區域對應著我們視野的不同區域,比如右上或左下。科學家們發現,如果他們一次啟動一個電極,則參與者可以可靠地看到,在其預測區域出現了光的細刺。但是,如果多個電極同時連接,單個的磷苯仍然會出現,但不會形成連貫的形狀聚集在一起。

因此,兩位研究者嘗試了一種不同的策略。他們假設通過「掃過」幾個電極上的電流,可以在大腦表面上追蹤圖形,從而產生可辨識的形狀。兩位研究者認為,「大腦經過獨特調整,可以檢測到周圍環境的變化。」他們也得出了理論,即大腦應該追蹤一個接一個出現的磷光斑。

荷蘭神經科學研究所主任羅弗塞馬認為,「假設電極1的間距較大,而電極2的間距較小,通過將電流引導通過兩個電極,可以獲得介於電極1和2中間的間距。」

兩位研究者發現,他們可以用視覺做類似的事情。他們可以在兩個單獨的電極之間產生磷光,從而將電極之間的點連接起來。利用這種技術,研究者在V1的表面上畫出了字母形狀,如「W」、「S」和「Z」。形狀必須上下顛倒繪製,這就是視覺資訊通常如何從我們的眼睛,到達視覺皮層的方式。

最後,參與者可以看到描摹的形狀,並在觸摸螢幕上準確地重新創建它們。當參與研究的人開始在他們的腦海中看到字母的形成時,「我想他們至少和我們一樣興奮,可能更興奮!」比徹姆和約索爾表示。

在將這項研究應用到有用的視覺修復術之前,尚有許多挑戰需要克服。」比徹姆和約索爾認為,在未來視覺修復術可能會包含「成千上萬個電極」,而這項研究只使用了幾十個。此外,他們補充說,「這些電極可以被設計成穿透大腦皮層,這樣電極頭就更靠近位於大腦皮層表面以下,數百微米的神經元。

佩扎利斯也指出,與大腦表面的電極相比,穿透大腦的電極產生的更精確的磷化氫,具有更弱的電場。他認為,表面電極使用強電場到達組織內的腦細胞,有時會導致相鄰或重疊的細胞同時受到刺激。

羅弗塞馬則認為,要想讓視覺假肢發揮作用,就需要發明一種與腦組織長時間兼容的新電極。他說:「目前進入大腦的腦組織會造成損害,並且無法長時間工作。」但是,對於某些患者,表面電極可能效果最好,這取決於將電極植入大腦深處的風險。

「失明的原因多種多樣,以至於有些患者可能會從深層植入的電極中受益最大,其他人將從表面電極中受益,還有一些人從直接植入視網膜的修復術中獲益,只需要進行眼部手術即可。」 比徹姆和約索爾還強調,最重要的是,要使視覺修復設備對盲人患者真正有用,他們必須改善生活品質。

這意味著,除了優化物理電極及其操作方式外,科學家還必須開發可靠的軟體,以幫助用戶過濾和處理視覺資訊。組裝完成後,完整的系統必須足夠有用,以使人們可以實際使用它

佩扎利斯評價稱,「從根本上說,我們必須牢記的一件事是,失明不是威脅生命的疾病,因此需要用足夠的利益來平衡風險。」

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