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盲人也能“看到”光幻视 新大脑植入技术或助其恢复视力

《细胞》杂志5月14日发表了一项新研究,科学家们通过电流刺激人们大脑,成功诱使他们的大脑看到并不存在的字母。

这项实验在视力正常的人和成年后失去视力的盲人身上都获得了成功。虽然这项技术仍处于早期阶段,但大脑植入物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植入物,它被放置在视觉皮层上,然后以一种特定的模式刺激大脑,测试者就可以“看到”特定的形状。

研究报告的作者,贝勒医学院的神经科学家迈克尔·比彻姆和神经外科医生丹尼尔·约肖尔表示,这种设备的早期版本可以让测试者感受到不同的形状。耳蜗就是通过电极刺激内耳神经,帮助佩戴者增强听力,升级版的植入物工作原理与之类似。


眼冒金星?光幻视

电流刺激使大脑产生了“光幻视”,也就是人们在没有任何光线进入眼睛的情况下感知到了微小光点。这与光线从物体反射进入你的眼睛不同,光幻视就像视觉系统的一种“怪癖”,让你看到实际上并不存在的光点。例如,当你在黑暗的房间里揉眼时,你可能会看到光幻视。

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·佩扎里斯指出,揉眼时出现的光点被称为“机械性光幻视”,最早是由古希腊哲学家和生理学家阿尔克迈翁提出的。1755年,法国内科医生查尔斯·勒·鲁瓦发现用电流刺激大脑也可以产生光幻视,盲人也不例外。

研究人员将电极植入视觉皮层,目的是让测试者的大脑产生光幻视并使其组成连贯的形状。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”成可理解的形状,这有点类似于电脑屏幕上的像素。

比彻姆和约肖尔说:“大脑远比电脑显示器复杂,而且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状。”虽然在研究中也遇到障碍,但他们找到了一种克服障碍的方法。

如何在大脑中“绘画”

研究小组在5名测试者的视觉皮质上放置了一组电极,其中3人视力正常,2人失明。电极位于大脑的V1区域,也就是视网膜的信息进行早期处理的区域。视力正常的参与者为了治疗癫痫已经通过手术植入了电极,盲人参与者也在另一项视觉修复的研究中植入了电极。

V1区域类似于地图,它的不同区域对应于我们视野的不同区域。研究人员发现,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,单个的光点仍然会出现,但不会形成连贯的形状。


两位研究人员表示,大脑是专门用来检测我们周围环境变化的,他们认为,大脑应该会跟踪光幻视接连出现的模式。

因此,两位研究人员尝试了一种不同的策略。他们在两个电极之间制造光幻视,并将电极之间的点连接起来。利用这种方法,研究人员在V1表面成功绘制了W、S、Z等字母形状。当然,这些形状必须是上下颠倒的,视觉信息也是如此传递到视觉皮层的。结果,参与者们成功“看到”大脑追踪的形状,并在触摸屏上精确地重现它们。

未来可期的新技术

荷兰神经科学研究所所长彼得·罗弗西马在发表于《细胞》杂志上的文章中写道:“在这项研究能够应用于有用的视觉假肢之前,我们还有很多挑战需要克服。”

研究人员称,未来的视觉假体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,这些电极可能会穿透视觉皮层,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,与大脑皮层表面的电极相比,穿透皮层的电极能产生更弱的电场,并产生更精确的光幻视。他指出,虽然表面电极能够利用强大的电场到达组织内的脑细胞,但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,需要发明一种新电极,并在很长一段时间内与脑组织兼容。目前的大脑植入物会给大脑造成损伤,而且作用时间不够长。

然而,对于一些病人来说什么形式最好取决于在他们大脑深处植入电极的风险。此外,致盲的原因有很多种,因此一些患者可能需要深度植入电极,另一些患者可能需要表面电极,还有一些患者可能需要直接植入视网膜。

研究人员称,最重要的是让视觉假体能够帮助盲人改善生活质量。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,只有这样整个系统才能真正帮到他们。

佩扎里斯在谈到视觉修复技术时说:“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其中的风险。”

责任编辑:张一迪


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