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科学家利用电流产生“星星”在大脑中写字 让盲人也能“看见”不存在的字
2020-05-17 11:04 前瞻网   

 

盲人最渴望的当然是有一天能重见蓝天白云,行动自如,现在,科学家们用一种特别的方法能让他们重新“看见”:以电流的形式在他们的大脑中写字,诱使大脑去“看”那些不存在的字母。

根据5月14日发表在《细胞》杂志上的一项研究,这一实验对有视力的人和成年后失去视力的盲人都有效。虽然这项技术仍处于早期阶段,但植入的设备未来可能会被用来刺激大脑,并在一定程度上恢复人们的视力。

这种植入物被称为视觉修复,它被放置在视觉皮层上,然后以一种模式进行刺激,以“追踪”出参与者可以“看到”的形状。这些植入物的更先进版本可能与耳蜗植入物类似,后者通过电极刺激内耳神经,帮助增强佩戴者的听力。

研究报告的作者、贝勒医学院的神经科学家迈克尔·比彻姆(Michael Beauchamp)和神经外科医生丹尼尔·约肖尔(Daniel Yoshor)表示:“(这种设备的)早期版本可以检测到所遇到的形状轮廓。” “对许多盲人患者来说,能够模模糊糊地辨认出家人的样子,或者允许更多的独立行动,将是一个了不起的进步。”

目前的研究则代表了实现这种技术的一小步。

看到星星

这项研究的作者通过电流刺激大脑,使其产生所谓的“光幻视”,即人们有时在没有任何光线进入眼睛的情况下就能感知到的微小光点,从而写出了字母。与光线从房间里的物体反射进入你的眼睛不同,光幻视是视觉处理系统的一种怪癖;你“看到”这些光点,即使它们实际上并不在那里。例如,当你在黑暗的房间里揉眼睛时,你可能会看到光闪现象,这种现象通常被描述为“看星星”。

马萨诸塞州总医院视觉修复实验室的负责人、哈佛大学神经外科学助理教授约翰·佩扎里斯(John Pezaris)说,当你揉眼睛时出现的星星被称为“机械光斑”(mechanical phosphenes),最早是由古希腊哲学家和生理学家阿尔克迈翁(Alcmaeon)描述的。佩扎里斯说,几个世纪后的1755年,法国内科医生Charles Le Roy发现用电刺激大脑也可以产生生动的光幻视,即使是盲人。佩扎里斯没有参与这项研究。

佩扎里斯说,在20世纪60年代,科学家们开始研究视觉修复术;研究人员将电极植入视觉皮层——大脑中处理来自眼睛的信息的区域——以产生光幻视并将其组合成连贯的形状。作者指出,科学家们假设,如果他们刺激大脑皮层的多个点,多个光幻视就会出现,并“自动结合”成可理解的形式,就像电脑屏幕上的单个像素一样。

比彻姆和约肖尔说:“但大脑远比电脑显示器复杂,由于我们还不完全了解的原因,实际上很难从光幻视的组合中产生可识别的形式。”两位作者在自己的研究中也遇到了同样的障碍,但他们找到了一种规避的方法。

在大脑中画画

研究小组在5名参与者的视觉皮质上放置了一组电极,其中3人是有视力的,2人是盲人。具体来说,电极位于大脑的V1区域,在这里,来自视网膜的信息被收集起来进行早期处理。这些视力正常的人已经在接受手术,将电极植入他们的大脑,这是癫痫治疗的一部分,目的是监测他们大脑的癫痫发作活动。儿盲人参加了另一项研究,调查视觉修复术,并在那个时候植入了电极。

V1的工作原理类似于地图,地图的不同区域对应于我们视野的不同区域,如右上角或左下角。作者发现,如果他们一次激活一个电极,参与者可以在预期的区域看到一个光点。但是如果多个电极同时连接,单个的光幻视仍然会出现,但不会形成连贯的形状。

因此,两位作者尝试了一种不同的策略;他们假设,通过“将电流扫过”几个电极,他们可以追踪到大脑表面的图案,从而产生可识别的形状。“大脑是专门用来检测我们周围环境的变化的。”因此他们提出了一个理论,该器官应该跟踪一个接一个出现的光环视的图案。

荷兰神经科学研究所所长彼得·罗弗西马(Pieter Roelfsema)表示,耳蜗植入使用类似的策略来产生不同的听觉音调。他没有参与这项研究。“假设电极1的音调高,电极2的音调低。”他说,通过引导电流通过两个电极,“你可以得到介于电极1和2之间的音调。”

该研究的作者发现,他们可以在视觉上做类似的事情;它们可以在两个分开的电极之间产生光幻视,从而将它们之间的点连接起来。利用这项技术,作者在V1表面绘制了字母形状,如“W”、“S”和“Z”;这些形状必须被颠倒和倒着绘制,这就是视觉信息通常从我们的眼睛到达视觉皮层的方式。

最后,研究参与者可以看到追踪的形状,并在触摸屏上精确地重现它们。当研究参与者开始看到他们脑海里的字母时,“我认为他们至少和我们一样兴奋,可能更兴奋!” 比彻姆和约肖尔说。

展望未来

罗弗西马在发表于新论文的《细胞》杂志上的一篇文章中写道:“在这项研究能够应用于有效的视觉假肢之前,还有很多挑战需要克服。”

作者说,在未来,视觉假肢可能会包含“成千上万个电极”,而这项研究只使用了几十个。此外,“这些电极可能被设计用来穿透皮层,这样电极尖端就更接近皮层表面以下几百微米的神经元。”

佩扎里斯说,与大脑表面的电极相比,穿透大脑的电极能产生更弱的电场,从而得到更精确的光幻视。他指出,表面电极利用强大的电场到达组织内的脑细胞,有时会导致相邻或重叠的细胞同时受到刺激。

罗弗西马表示,为了使视觉假体起作用,需要发明新的电极,在很长一段时间内与脑组织兼容。他说,“目前进入大脑的药物会造成损伤,而且作用时间不够长。”然而,佩扎里斯说,对于某些病人来说,表面电极可能是最好的,这取决于在他们大脑深处植入电极的风险。

他说:“致盲的原因有很多种”,一些患者可能从深度植入电极中获益最多,另一些患者可能从表面电极中获益最多,还有一些患者可能从直接植入视网膜的修复术中获益最多,这种方法只需要进行眼部手术即可植入。

比彻姆和约肖尔说,最重要的是,“为了让视觉假体设备真正对盲人有用,能真正地改善他们的生活质量。”这意味着,除了优化物理电极及其操作方式外,科学家还必须开发可靠的软件,帮助用户过滤和处理视觉信息。一旦组装完成,整个系统必须足够有效,人们才能真正使用它。

佩扎里斯在谈到视觉修复术时说:“从根本上说,我们必须牢记的一件事是,失明并不会危及生命,因此需要用足够的好处来抵消失明的风险。”

编译/前瞻经济学人APP资讯组

原文来源:https://www.livescience.com/drawing-letters-on-the-brain.html

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责任编辑: 3976DBC

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