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在大腦中植入100根電極后,失明16年的患者重見光明

2020/2/7 12:48:06來源:作者:霜葉責編:懶貓評論:

偷窥438 电影北京時間2月7日消息,伯恩娜迪塔·戈麥斯(Bernardeta Gómez)一邊用手指著面前白板上的一條黑線,一邊操著西班牙當地口音說,“Allí”(西班牙語“那里”)。

對于一名57歲的女性來說,能看到這樣一條畫在白板上的黑線,真沒有什么值得炫耀的。但對于失明16年的戈麥斯來說,這卻是了不起的。42歲時,視神經病變破壞了連接戈麥斯眼睛和大腦的神經,她也因此完全失明,甚至感受不到一點光線。

▲戈麥斯大腦的電信號,每個格子代表一個電極,格子中彎彎曲曲的線條,顯示的是來自神經元的信號

16年后,戈麥斯獲得了一個機會,可以有6個月時間模模糊糊地看到周圍的世界,雖然她看到的只不過是黃白色的點和圖案。

讓戈麥斯重見光明的是一副裝備有微型相機的眼鏡,視頻經過一臺計算機處理后轉換成電信號。房頂上垂下的一根電纜,把信號經由植入顱骨中的一個端口,傳導給植入在戈麥斯視覺皮質中的100根電極。

偷窥438 电影▲佩戴著裝備有相機的眼鏡的戈麥斯

借助這一系統,戈麥斯能看到吸頂燈、人和印在紙上的字母、基本圖形,她甚至能玩一款簡單的《吃豆人》類游戲。

戈麥斯在2018年底首次重見光明,這是位于西班牙埃爾切的米格爾·埃爾南德斯大學神經工程系主任愛德華多·費爾南德斯(Eduardo Fernandez)數十年研究的成果。

費爾南德斯為自己定下了一個目標:讓全球盡可能多的失明患者恢復視力。資料顯示,全球失明患者達到3600萬。費爾南德斯的方法令人興奮,因為它繞過了眼睛和視神經。

在使失明患者重見光明的早期研究中,大多數都嘗試通過人工眼睛或視網膜,幫助他們恢復視力。這些研究也獲得了一定成功。

但以戈麥斯為代表的絕大多數失明患者,都是連接視網膜和視覺皮質的神經受到損害,人造眼睛不足以讓他們重見光明。這也是2015年Second Sight放棄20年的努力,將研究重點由視網膜轉向視覺皮質的原因。

Second Sight于2011、2013年獲得批準,在歐洲和美國銷售一款人造視網膜。Second Sight稱,逾350人在使用其Argus II人造視網膜。

偷窥438 电影在我(指原文作者魯斯·賈斯卡蓮(Russ Juskalian))最近一次造訪埃爾切時,費爾南德斯告訴我,植入技術的進展,對人類視覺系統更精確的理解,使他獲得了直接通過對大腦進行操作,讓盲人重見光明的信心,“在神經系統中的信息,與在電子設備中的信息沒什么兩樣”。

偷窥438 电影通過直接向大腦傳輸信號讓失明患者重見光明聽起來確實大膽,但數十年來,主流醫療設備一直都在利用其基本原理。費爾南德斯解釋說,“現在,大量電子設備都與人體交互,起搏器就是其中之一,傳感器系統方面的一個代表是人工耳蝸。”

偷窥438 电影▲為戈麥斯植入人工視覺系統的費爾南德斯

人工耳蝸主要由兩部分組成:處理系統對外部麥克風產生的信號進行處理,并將數字信號傳輸給內耳中的植入體,植入體的電極把電流傳輸給附近的神經,大腦對神經傳來的信號進行處理,聽覺障礙患者就能聽到聲音了。

偷窥438 电影人工耳蝸首次用來幫助聽覺障礙患者聽到聲音是1961年,目前全球有逾五十萬人在使用人工耳蝸。

費爾南德斯說,“戈麥斯是我們的第一位患者,但未來數年,我們將為5名失明患者植入這一系統。我們在動物中進行了類似實驗,貓或猴子不能告訴我們它們看到了什么。”

但戈麥斯能。

作為實驗對象,戈麥斯需要極大勇氣。她需要通過腦部手術植入電極,半年后再取出來(因為這一技術尚未得到監管機構批準),萬一出點問題,她就可能受到更大傷害。

痙攣和光幻視

戈麥斯是幸運的。在她之前,類似實驗還是很曲折的。

早在1929年,一位名為奧特弗里德·弗里斯特(Otfrid Foerster)的德國神經科醫生,在一次手術期間發現,在患者視覺皮質中插入一根電極,患者會看到一個白點。

偷窥438 电影此后,科學家和科幻作者腦洞大開,設想出各種人造視覺系統:信號傳播路線為相機-計算機-大腦。部分研究人員甚至開發出初步的系統。

2000年代初期,這一假設成為現實,一位名為威廉·多貝利(William Dobelle)的生物醫學研究人員,在一名自愿接受試驗的患者頭部安裝了人工視覺系統。

令人遺憾的是,在多貝利開啟系統不久后,患者發生痙攣并倒在地上。事后查明的原因是,電流過高,對大腦的刺激過強,超出了正常范圍。這名患者也受到感染。

偷窥438 电影但多貝利聲稱其系統已接近可以日常使用的水平,并發布了一段視頻,內容為一名失明患者在一個封閉的停車場內駕駛著車輛慢慢行駛。多貝利2004年過世,他的人工視覺系統也煙消云散。

偷窥438 电影與多貝利相比,費爾南德斯要保守得多,他幾乎總是說,“我們希望開發出可以供人使用的人工視覺系統,但目前我們只是在進行早期試驗。”

但戈麥斯的確曾重見光明。

釘床

如果說戈麥斯能恢復視力背后的原理——將相機產生的視頻信號傳輸給大腦——相當簡單,但細節要復雜得多。

費爾南德斯及其團隊首先需要解決相機問題,其中一個首要問題是,人類視網膜會生成什么樣的信號?為搞清楚這一問題,費爾南德斯從剛剛死去的人眼睛中取出視網膜,把視網膜與電極相連,并暴露在光線下,了解電極的信號。

偷窥438 电影他的團隊還利用人工智能技術,將視網膜輸出的電信號與簡單的視覺輸入匹配。這有助于他們編寫軟件,自動模擬這一過程。

實驗的下一步,是將電信號傳輸給大腦。在費爾南德斯為戈麥斯研制的人工視覺系統中,一根電纜與多通道神經電極(尺寸略小于AAA電池凸起的正極)相連。

偷窥438 电影多通道神經電極上有100個微型電極——每個長約1毫米,它們看起來就像是一個微型的釘床。每個電極可以向1-4個神經元傳輸電流。在患者頭部植入多通道神經電極時,電極會穿過大腦表面。

▲多通道神經電極有100個微型電極,看起來就像是一個微型釘子床

費爾南德斯必須一個電極一個電極地校準,逐步加大電流,直到戈麥斯產生光幻視。光幻視是指視網膜在受到機械刺激、電刺激等不恰當刺激時,瞬時產生的好像看到光線的感覺。費爾南德斯花了1個多月時間才完成全部100個電極的校準。

費爾南德斯說,“我們技術的優點是,多通道神經電極的電極穿進大腦,距離神經遠很近”,這使得只需遠低于多貝利系統的電流,人工視覺系統就能產生視覺,大大降低了患者發生痙攣的風險。

這一人工視覺系統的一大不足,以及戈麥斯試驗期限不能超過6個月的主要原因,是沒有人知道電極的正常使用壽命。費爾南德斯說,“人體免疫系統會開始攻擊電極,在電極周圍產生瘢痕組織——會削弱信號。”

偷窥438 电影電極彎曲也是一個需要解決的問題。根據動物實驗以及戈麥斯試用的多通道神經電極判斷,他認為當前的系統可以正常使用2-3年,甚至長達10年。

偷窥438 电影費爾南德斯希望,經過優化后多通道神經電極使用壽命可以延長到數十年。對于要求通過腦部手術才能使用的醫療設備來說,使用壽命是重要的先決條件。

最終,像人工耳蝸一樣,人工視覺系統要真正普及,就需要通過無線方式向電極傳輸信號和電能。但目前,費爾南德斯的系統還需要使用有線連接,未來還需要許多次迭代才可能最終定型。

如果分辨率為10 X 10像素——戈麥斯試用的系統的最大分辨率,人可能感受到基本的形狀,例如字母、門框和人行道,但對于感受臉部輪廓來說,這樣的分辨率是遠遠不夠的,更不用說人了。這也是費爾南德斯為其系統配備圖形識別軟件的原因,圖形識別軟件的助力,使戈麥斯能在房間內看到人。

偷窥438 电影費爾南德斯在一個PPT中寫道,分辨率達到25 X 25像素后,患者恢復“視力是可能的”。他說,由于當前的多通道神經電極尺寸非常小,而且只需要很少的電流,在大腦每側安裝4-6個不存在技術障礙,這樣就可以提供60 X 60像素,甚至更高的分辨率。但一個問題是,目前還沒有搞清楚大腦可以從多通道神經電極接受多少信號,而不致于過載。

使用人工視覺系統啥感覺

偷窥438 电影▲費爾南德斯和他指導的研究生,將一款原型相機與計算機相連

偷窥438 电影戈麥斯表示,如果可能的話,她會一直使用費爾南德斯的人工視覺系統。有新的版本出來后,她將首先申請試用。費爾南德斯完成分析后,戈麥斯計劃將她試用的多通道神經電極掛在客廳墻上,留作紀念。

在費爾南德斯的實驗室,他給了我一個機會,試用他用來給患者做檢查的無創設備。

我坐在戈麥斯去年曾坐過的真皮椅子上,一名神經科醫師手拿一根“魔杖”,兩個圓環貼在我頭部兩側。被稱作蝴蝶線圈的這一設備,連接到一個盒子,可以通過電磁脈沖刺激神經元——這種現象被稱作經顱磁刺激。

第一次刺激,讓我感覺到好像有人在敲頭皮,手指不由自主地完全曲起來。費爾南德斯說,“有反應了,刺激的是你的運動皮質。現在我們將嘗試讓你感到到光幻視。”

神經科醫師調整了“魔杖”位置,并調高了脈沖頻率。當她開機后,我的感覺相當強烈,好像有人把我的后腦門當作門環。

偷窥438 电影雖然我睜著眼,但還是出現了幻視:一條明亮的水平線劃過我的視野的中心,以及兩個閃爍的三角形(內部像沒有信號時電視屏幕上的雪花)。這些幻視可謂來也匆匆,去也匆匆,只停留了很短時間。

費爾南德斯說,“這跟戈麥斯的情況很相像。”我和戈麥斯之間的區別是,她看到的是外部世界,而我看到的只是由大腦受到電磁脈沖刺激產生的幻視。

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