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在大脑植入电极的复明方案初获成功,可让失明人士重新感受到了光明!
网友【chuang】于【太平洋时间 2020-05-16 10:28:37】分享在【时代发展的印记】版块    4568    1    20

“那里(Allí)”,伯纳德塔 · 戈麦斯(Bernardeta Gómez)用母语西班牙语说道,一边指着一臂距离之外白色纸板上的黑线。

对于一个 57 岁的女人来说,这本是举手之劳,但戈麦斯是个盲人。而且她已经失明十多年了。在戈麦斯 42 岁的时候,中毒性视神经病变破坏了连接她的眼睛和大脑的神经束,导致她完全失明,甚至无法感受到光。

但是在经历了 16 年的黑暗之后,戈麦斯获得了六个月的时间,在这期间她可以看到一个低分辨率的世界,尽管只是发光的黄白色圆点和形状。这要归功于一副经过改造的眼镜,这副眼镜被涂黑并配备了微型相机。该设备连接的计算机可处理实时视频输入,并将其转换为电子信号。天花板上悬挂下来的电缆将系统连接到戈麦斯颅骨后部植入的端口,最终将信号传导到与端口相连的植入在大脑后部视觉皮层中的 100 根电极。

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图 | 戈麦斯戴着装配有相机的眼镜。不过,大脑植入装置已经从她的脑中取出,因为它目前还是一种临时装置。(来源:Russ Juskalian)

借助这一系统,戈麦斯能看到天花板上的灯、字母、印刷在纸上的基本形状,还有人。她甚至玩了一个类似《吃豆人》的游戏,这个简单的游戏也是直接输送到她的大脑的。实验期间,戈麦斯的丈夫每周有四天会把她带到实验室,她已经迷上了这个系统。

这个实验室位于西班牙埃尔切市的米格尔 · 埃尔南德斯大学(the University of Miguel Hernandez)。戈麦斯首次重见光明是在 2018 年底,这是该校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。

他的最终目标是让全世界的 3600 万盲人重见光明。费尔南德斯的方法十分令人振奋,因为它绕过了眼睛和视神经。

早期研究试图通过人造眼睛或视网膜来恢复盲人的视力。这些方法有一定效果,但是像戈麦斯这样的绝大多数盲人,都是连接视网膜和大脑后部的神经系统受到了损害。因此假眼不能使他们重见光明。这就是为什么制造出世界首个仿生眼的 Second Sight 公司放弃了 20 年的努力,在 2015 年将工作重心从视网膜转移到了大脑皮层。2011 年,该公司获批在欧洲(以及 2013 年在美国)出售一种针对视网膜色素变性疾病的人造视网膜。(Second Sight 公司称,超过 350 人在使用他们的 Argus II 视网膜假体。)

费尔南德斯表示,植入技术的发展和对人类视觉系统的更精细的认知,使他获得了直接对大脑进行操作的信息。他说:“神经系统中的信息和电子设备中存储的信息没什么不同。”

通过直接向大脑传输信号让失明患者重见光明,这听起来确实大胆,但数十年来,主流医学所使用的植入人体的电子装置一直都在利用这个基本原理。费尔南德斯举例说,“已经有许多电子设备与人体交互,起搏器就是其中之一。在感官系统中,我们有人工耳蜗。”

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图 | 爱德华多 · 费尔南德斯(来源:Russ Juskalian)

上面提到的后一种设备是费尔南德斯为戈麦斯制造的听觉假体:它由外部麦克风和处理系统组成,处理系统可将数字信号传输到内耳中的植入体。植入体的电极把电流传输给附近的神经,大脑就能将信号转换成声音了。人工耳蜗于 1961 年首次被植入听觉障碍患者体内,目前协助全球超过 500 万人顺利进行日常生活中的对话。

“戈麦斯是我们的首位病人,在接下来的几年中,我们将在另外五个盲人中植入电极,”费尔南德斯说道。“我们已经进行了类似的动物实验,但是猫和猴子无法表达它们看到了什么。”

戈麦斯可以。

参加实验需要极大的勇气。植入电极需要给这个其他方面健康的盲人做开颅手术,而这一手术一直是具有风险的。而且半年后,电极还要再取出来,因为这种假体尚未被批准长期使用。

痉挛和光幻视

未见其人,先闻其声。戈麦斯的声音听起来比她的实际年龄小十岁。她说出来的话是经过斟酌的,她的节奏完全流畅,语气温暖,自信且稳定。

戈麦斯非常熟悉实验室的布局,因此她在小走廊及其相连的房间中行走时,几乎不需要帮助。

戈麦斯来实验室是为了进行脑部核磁共振影像(MRI)检查,以观察假体取出半年后的情况(她看起来状态良好)。在我参观期间,可能参加实验的第二位患者也在城里并来到了实验室,戈麦斯来实验室的第二个目的就是与这位患者见面。

在会面中,当费尔南德斯解释硬件设备如何与头部连接时,戈麦斯打断了讨论,她的身体向前倾,并将那位患者的手放在她脑后——也就是以前连接金属的地方。那里目前已经愈合好了,几乎没有留下曾经存在创口的证据。她说,植入手术非常顺利,以至于第二天她就去实验室连接了电源,开始实验。从那以后,她没有发生任何异常或感受到任何痛苦。

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图 | 伯纳德塔 · 戈麦斯(Bernardeta Gómez)大脑的电信号。每个方框代表一个电极,方框内的波浪线表示神经元释放的电信号。(来源:Russ Juskalian)

戈麦斯是幸运的。在她接受植入手术之前,类似的实验在过去经历了曲折的过程。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。他将这种现象命名为光幻视。此后,科学家便开始设想 “相机 - 计算机 - 大脑视觉假体” 的可能性。部分研究人员甚至开发出了初步的系统。

21 世纪初,这个假设成为了现实,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视觉假体。

令人遗憾的是,作家史蒂文 · 科特勒(Steven Kotler)至今回想起来 2002 年的那一幕,仍然忍不住感到害怕。他看到在多贝利调大电流后,患者倒在了地上,不住地抽搐。原因是电流过高对大脑的刺激过强,结果超出了大脑的承受范围。多贝利的这位患者也发生了感染。但多贝利声称他这个笨重的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慢慢地、不平稳地在一个封闭的停车场内驾驶。多贝利 2004 年过世的时候,他的视觉假体也破灭了。

与多贝利声称能使盲人完全重见光明相比,费尔南德斯要保守得多,他一直说的都是,“我们希望开发出可以供人使用的视觉系统,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。

“钉床”

戈麦斯能恢复视力背后的原理说起来相当简单,就是将相机产生的视频信号传输给大脑,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这一部分。

人类视网膜会产生什么样的信号?为了回答这个问题,费尔南德斯从最近去世的人眼中取出视网膜。这得益于他的实验室与当地医院的密切关系,器官捐赠者去世时,医院有时会半夜打电话通知实验室。

研究人员将取出的视网膜与电极相连,把视网膜暴露在光线下,从而测量电极收到的信号。他的团队还利用机器学习的方法,将视网膜输出的电信号与简单的视觉输入匹配,这有助于编写软件来自动模拟这一过程。

实验的下一步,是记录下电信号并将它传输给大脑。在费尔南德斯为戈麦斯研制的视觉假体中,一根电缆与一种常见的神经植入体相连,这种神经植入体被称为犹他电极阵列,略小于 7 号电池凸起的正极。电极上有 100 个长约 1 毫米的微型电极凸起,看起来就像是一个微型钉床。每个电极可以向 1 至 4 个神经元传输电流。神经电极植入患者头部后,会穿过大脑表面;电极被取出后,100 个小血滴会填补空洞。

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图 | 植入大脑的电极阵列上有 100 个电极,看起来就像是一个微型钉床。(来源:Russ Juskalian)

费尔南德斯必须一个电极一个电极地校准,逐步加大电流,直到戈麦斯可以指出她何时和在哪里产生了光幻视。费尔南德斯花了一个多月才完成全部 100 个电极的校准。

费尔南德斯说,“我们这个方法的优势在于,电极阵列的电极穿进大脑,紧靠神经元”。因此植入体产生视觉所需的电流远低于多贝利的系统,大大降低了发生痉挛的风险。

这种视觉假体的一大缺陷在于,没有人知道电极最长能使用多久,超过这个期限则可能发生电极自身或对使用者脑部的损害,这也是戈麦斯试验期限不能超过六个月的主要原因。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,因此会削弱信号。”随着人的活动,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使用电极序列的状况预计,费尔南德斯认为当前的装置可以使用 2-3 年,甚至长达 10 年都不会有问题。他希望,经过微调后,电极序列使用寿命可以延长到数十年,因为对于需要进行有创性的脑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。

像人工耳蜗一样,视觉假体最后要真正普及,就需要将信号和电能无线传输经头骨到达电极。但目前,该团队在实验中使用的假体还需要使用有线连接。这样,在最终确定设计前最便于更新硬件设施。

在 10 X 10 像素的分辨率下,这也可能差不多是戈麦斯试用的系统的最大分辨率,人能识别基本的形状,例如字母、门框和人行道。但脸部轮廓要复杂得多。因此费尔南德斯使用图像识别软件增强了他的系统,软件能识别房间内的人,同时向戈麦斯的大脑发送一种她能识别的光幻视。

费尔南德斯展示了一个 PPT,其中他写道,分辨率达到 25 X 25 像素后,“是可能恢复视力的”。他说,由于当前使用的犹他电极阵列尺寸非常小,而且只需要很小的电流,在大脑每侧安装 4-6 个犹他电极阵列,对他的团队来说不存在什么技术障碍,这样就可以为患者提供 60 X 60 像素,甚至分辨率更高的视野。但一个问题是,目前还没有搞清楚大脑能接受电极传输的信号上限是多少,才不过载,也不变会成电视的“雪花屏”。

系统使用体验

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图 | 费尔南德斯和他指导的研究生,将一款初版相机与计算机相连 (来源:Russ Juskalian)

戈麦斯表示,如果有机会的话,她会一直使用费尔南德斯的视觉假体。如果将来有新的版本,她将申请成为第一批试用者。戈麦斯打算,在费尔南德斯完成对她试用的电极阵列的分析后,她想把电极装裱起来挂在客厅墙上,留作纪念。

在费尔南德斯的实验室,他给了我一次机会来试用他用来给患者做检查的无创设备。

戈麦斯去年参加这个具有重大突破意义的实验时,就坐在我现在所坐的真皮椅子上。一位神经学家手持一根带有两个圆环的棒,将圆环贴在我头部两侧。这个装置被称为“蝴蝶线圈”,与一个可以发出电磁脉冲、刺激神经元的盒子相连——这种现象就是经颅磁刺激。第一次刺激给我的感觉是好像有人在敲我的头皮,我的手指不由自主地蜷缩了起来。费尔南德斯笑着说,“你看,起作用了!刚才刺激的是你的皮层运动区。现在我们将尝试让你产生光幻视。”

神经学家调整了那根棒的位置,让机器快速发出脉冲。当她开始后,我感受到了强烈的电流 “滋滋” 声,好像是有人把我的后脑壳当作门环一样。虽然我睁着眼,但还是看到了一条明亮的水平线划过我的视野的中心,和两个闪烁的三角形,三角形内部像电视屏幕没信号时的雪花。这些幻视可谓来去匆匆,只留下一点残光。

费尔南德斯说,“这跟戈麦斯能看到的东西很像。”区别在于只要信号传输到她的大脑,她所 “看到” 的世界就稳定了。戴着眼镜的时候,她也可以转过头环顾房间。而我所看到的仅仅是电刺激大脑在脑内产生的幻像。实际上,16 年来,戈麦斯终于可以第一次伸手触摸她看到的这个世界了。

出处:头条号 @DeepTech深科技

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