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大脑植入100根电极:失明16年的患者重见光明
2020-02-07 13:38:48  出处:凤凰网科技  作者:霜叶 编辑:上方文Q   点击可以复制本篇文章的标题和链接

伯恩娜迪塔·戈麦斯(Bernardeta Gómez)一边用手指着面前白板上的一条黑线,一边操着西班牙当地口音说,“Allí”(西班牙语“那里”)。

对于一名57岁的女性来说,能看到这样一条画在白板上的黑线,真没有什么值得炫耀的,但对于失明16年的戈麦斯来说,这却是了不起的。

42岁时,视神经病变破坏了连接戈麦斯眼睛和大脑的神经,她也因此完全失明,甚至感受不到一点光线。

16年后,戈麦斯获得了一个机会,可以有6个月时间模模糊糊地看到周围的世界,虽然她看到的只不过是黄白色的点和图案。

让戈麦斯重见光明的是一副装备有微型相机的眼镜,视频经过一台计算机处理后转换成电信号。房顶上垂下的一根电缆,把信号经由植入颅骨中的一个端口,传导给植入在戈麦斯视觉皮质中的100根电极。

大脑植入100根电极:失明16年的患者重见光明
佩戴着装备有相机的眼镜的戈麦斯

借助这一系统,戈麦斯能看到吸顶灯、人和印在纸上的字母、基本图形,她甚至能玩一款简单的《吃豆人》类游戏。

戈麦斯在2018年底首次重见光明,这是位于西班牙埃尔切的米格尔·埃尔南德斯大学神经工程系主任爱德华多·费尔南德斯(Eduardo Fernandez)数十年研究的成果。

费尔南德斯为自己定下了一个目标:让全球尽可能多的失明患者恢复视力。资料显示,全球失明患者达到3600万。费尔南德斯的方法令人兴奋,因为它绕过了眼睛和视神经。

在使失明患者重见光明的早期研究中,大多数都尝试通过人工眼睛或视网膜,帮助他们恢复视力。这些研究也获得了一定成功。

但以戈麦斯为代表的绝大多数失明患者,都是连接视网膜和视觉皮质的神经受到损害,人造眼睛不足以让他们重见光明。这也是2015年Second Sight放弃20年的努力,将研究重点由视网膜转向视觉皮质的原因。

Second Sight于2011、2013年获得批准,在欧洲和美国销售一款人造视网膜。Second Sight称,逾350人在使用其Argus II人造视网膜。

在我(指原文作者鲁斯·贾斯卡莲(Russ Juskalian))最近一次造访埃尔切时,费尔南德斯告诉我,植入技术的进展,对人类视觉系统更精确的理解,使他获得了直接通过对大脑进行操作,让盲人重见光明的信心,“在神经系统中的信息,与在电子设备中的信息没什么两样”。

通过直接向大脑传输信号让失明患者重见光明听起来确实大胆,但数十年来,主流医疗设备一直都在利用其基本原理。

费尔南德斯解释说:“现在,大量电子设备都与人体交互,起搏器就是其中之一,传感器系统方面的一个代表是人工耳蜗。”

大脑植入100根电极:失明16年的患者重见光明
为戈麦斯植入人工视觉系统的费尔南德斯

人工耳蜗主要由两部分组成:处理系统对外部麦克风产生的信号进行处理,并将数字信号传输给内耳中的植入体,植入体的电极把电流传输给附近的神经,大脑对神经传来的信号进行处理,听觉障碍患者就能听到声音了。

人工耳蜗首次用来帮助听觉障碍患者听到声音是1961年,目前全球有逾五十万人在使用人工耳蜗。

费尔南德斯说,“戈麦斯是我们的第一位患者,但未来数年,我们将为5名失明患者植入这一系统。我们在动物中进行了类似实验,猫或猴子不能告诉我们它们看到了什么。”

但戈麦斯能。

作为实验对象,戈麦斯需要极大勇气。她需要通过脑部手术植入电极,半年后再取出来(因为这一技术尚未得到监管机构批准),万一出点问题,她就可能受到更大伤害。

痉挛和光幻视

戈麦斯是幸运的。在她之前,类似实验还是很曲折的。

早在1929年,一位名为奥特弗里德·弗里斯特(Otfrid Foerster)的德国神经科医生,在一次手术期间发现,在患者视觉皮质中插入一根电极,患者会看到一个白点。

此后,科学家和科幻作者脑洞大开,设想出各种人造视觉系统:信号传播路线为相机-计算机-大脑。部分研究人员甚至开发出初步的系统。

2000年代初期,这一假设成为现实,一位名为威廉·多贝利(William Dobelle)的生物医学研究人员,在一名自愿接受试验的患者头部安装了人工视觉系统。

令人遗憾的是,在多贝利开启系统不久后,患者发生痉挛并倒在地上。事后查明的原因是,电流过高,对大脑的刺激过强,超出了正常范围。这名患者也受到感染。

但多贝利声称其系统已接近可以日常使用的水平,并发布了一段视频,内容为一名失明患者在一个封闭的停车场内驾驶着车辆慢慢行驶。多贝利2004年过世,他的人工视觉系统也烟消云散。

与多贝利相比,费尔南德斯要保守得多,他几乎总是说,“我们希望开发出可以供人使用的人工视觉系统,但目前我们只是在进行早期试验。”

但戈麦斯的确曾重见光明。

大脑植入100根电极:失明16年的患者重见光明
戈麦斯大脑的电信号,每个格子代表一个电极,格子中弯弯曲曲的线条,显示的是来自神经元的信号

钉床

如果说戈麦斯能恢复视力背后的原理——将相机产生的视频信号传输给大脑——相当简单,但细节要复杂得多。

费尔南德斯及其团队首先需要解决相机问题,其中一个首要问题是,人类视网膜会生成什么样的信号?

为搞清楚这一问题,费尔南德斯从刚刚死去的人眼睛中取出视网膜,把视网膜与电极相连,并暴露在光线下,了解电极的信号。

他的团队还利用人工智能技术,将视网膜输出的电信号与简单的视觉输入匹配。这有助于他们编写软件,自动模拟这一过程。

实验的下一步,是将电信号传输给大脑。在费尔南德斯为戈麦斯研制的人工视觉系统中,一根电缆与多通道神经电极(尺寸略小于AAA电池凸起的正极)相连。

多通道神经电极上有100个微型电极——每个长约1毫米,它们看起来就像是一个微型的钉床。每个电极可以向1-4个神经元传输电流。在患者头部植入多通道神经电极时,电极会穿过大脑表面。

大脑植入100根电极:失明16年的患者重见光明
多通道神经电极有100个微型电极,看起来就像是一个微型钉子床

费尔南德斯必须一个电极一个电极地校准,逐步加大电流,直到戈麦斯产生光幻视。光幻视是指视网膜在受到机械刺激、电刺激等不恰当刺激时,瞬时产生的好像看到光线的感觉。费尔南德斯花了1个多月时间才完成全部100个电极的校准。

费尔南德斯说,“我们技术的优点是,多通道神经电极的电极穿进大脑,距离神经远很近”,这使得只需远低于多贝利系统的电流,人工视觉系统就能产生视觉,大大降低了患者发生痉挛的风险。

这一人工视觉系统的一大不足,以及戈麦斯试验期限不能超过6个月的主要原因,是没有人知道电极的正常使用寿命。费尔南德斯说,“人体免疫系统会开始攻击电极,在电极周围产生瘢痕组织——会削弱信号。”

电极弯曲也是一个需要解决的问题。根据动物实验以及戈麦斯试用的多通道神经电极判断,他认为当前的系统可以正常使用2-3年,甚至长达10年。

费尔南德斯希望,经过优化后多通道神经电极使用寿命可以延长到数十年。对于要求通过脑部手术才能使用的医疗设备来说,使用寿命是重要的先决条件。

最终,像人工耳蜗一样,人工视觉系统要真正普及,就需要通过无线方式向电极传输信号和电能。但目前,费尔南德斯的系统还需要使用有线连接,未来还需要许多次迭代才可能最终定型。

如果分辨率为10 X 10像素——戈麦斯试用的系统的最大分辨率,人可能感受到基本的形状,例如字母、门框和人行道,但对于感受脸部轮廓来说,这样的分辨率是远远不够的,更不用说人了。这也是费尔南德斯为其系统配备图形识别软件的原因,图形识别软件的助力,使戈麦斯能在房间内看到人。

费尔南德斯在一个PPT中写道,分辨率达到25 X 25像素后,患者恢复“视力是可能的”。

他说,由于当前的多通道神经电极尺寸非常小,而且只需要很少的电流,在大脑每侧安装4-6个不存在技术障碍,这样就可以提供60 X 60像素,甚至更高的分辨率。

但一个问题是,目前还没有搞清楚大脑可以从多通道神经电极接受多少信号,而不致于过载。

使用人工视觉系统啥感觉

大脑植入100根电极:失明16年的患者重见光明
费尔南德斯和他指导的研究生,将一款原型相机与计算机相连

戈麦斯表示,如果可能的话,她会一直使用费尔南德斯的人工视觉系统。有新的版本出来后,她将首先申请试用。费尔南德斯完成分析后,戈麦斯计划将她试用的多通道神经电极挂在客厅墙上,留作纪念。

在费尔南德斯的实验室,他给了我一个机会,试用他用来给患者做检查的无创设备。

我坐在戈麦斯去年曾坐过的真皮椅子上,一名神经科医师手拿一根“魔杖”,两个圆环贴在我头部两侧。被称作蝴蝶线圈的这一设备,连接到一个盒子,可以通过电磁脉冲刺激神经元——这种现象被称作经颅磁刺激。

第一次刺激,让我感觉到好像有人在敲头皮,手指不由自主地完全曲起来。费尔南德斯说,“有反应了,刺激的是你的运动皮质。现在我们将尝试让你感到到光幻视。”

神经科医师调整了“魔杖”位置,并调高了脉冲频率。当她开机后,我的感觉相当强烈,好像有人把我的后脑门当作门环。

虽然我睁着眼,但还是出现了幻视:一条明亮的水平线划过我的视野的中心,以及两个闪烁的三角形(内部像没有信号时电视屏幕上的雪花)。这些幻视可谓来也匆匆,去也匆匆,只停留了很短时间。

费尔南德斯说:“这跟戈麦斯的情况很相像。”我和戈麦斯之间的区别是,她看到的是外部世界,而我看到的只是由大脑受到电磁脉冲刺激产生的幻视。

参考资料:

https://www.technologyreview.com/s/615148/a-new-implant-for-blind-people-jacks-directly-into-the-brain/

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