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      大腦植入電極后,失明十六年的盲人重新看見

      2020-06-09 12:29:22
      海外星云 2020年7期
      關(guān)鍵詞:戈麥斯費爾南德斯假體

      戈麥斯戴著裝配有相機的眼鏡。不過, 大腦植入裝置已經(jīng)從她的腦中取出,因為 它目前還是一種臨時裝置

      “那里(Allí)”,伯納德塔·戈麥斯用母語西班牙語說道,一邊指著一臂距離之外白色紙板上的黑線。對于一個 57 歲的女人來說,這本是舉手之勞,但戈麥斯是個盲人,而且她已經(jīng)失明十多年了。在戈麥斯 42 歲的時候,中毒性視神經(jīng)病變破壞了連接她的眼睛和大腦的神經(jīng)束,導(dǎo)致她完全失明,甚至無法感受到光。

      但是在經(jīng)歷了 16 年的黑暗之后,戈麥斯獲得了6個月的時間,在這期間她可以看到一個低分辨率的世界,盡管只是發(fā)光的黃白色圓點和形狀。這要歸功于一副經(jīng)過改造的眼鏡,這副眼鏡被涂黑并配備了微型相機。該設(shè)備連接的計算機可處理實時視頻輸入,并將其轉(zhuǎn)換為電子信號。天花板上懸掛下來的電纜將系統(tǒng)連接到戈麥斯顱骨后部植入的端口,最終將信號傳導(dǎo)到與端口相連的植入在大腦后部視覺皮層中的 100 根電極。

      借助這一系統(tǒng),戈麥斯能看到天花板上的燈、字母、印刷在紙上的基本形狀,還有人。她甚至玩了一個類似《吃豆人》的游戲,這個簡單的游戲也是直接輸送到她的大腦的。實驗期間,戈麥斯的丈夫每周有4天會把她帶到實驗室,她已經(jīng)迷上了這個系統(tǒng)。這個實驗室位于西班牙埃爾切市的米格爾 · 埃爾南德斯大學(xué)。戈麥斯首次重見光明是在 2018 年底,這是該校神經(jīng)工程系主任愛德華多 · 費爾南德斯數(shù)十年研究的成果。

      愛德華多·費爾南德斯

      費爾南德斯的最終目標(biāo)是讓全世界的 3600 萬盲人重見光明,他的方法十分令人振奮,因為它繞過了眼睛和視神經(jīng)。早期研究試圖通過人造眼睛或視網(wǎng)膜來恢復(fù)盲人的視力,這些方法有一定效果,但是像戈麥斯這樣的絕大多數(shù)盲人,都是連接視網(wǎng)膜和大腦后部的神經(jīng)系統(tǒng)受到了損害,因此假眼不能使他們重見光明。這就是為什么制造出世界首個仿生眼的 Second Sight 公司放棄了 20 年的努力,在 2015 年將工作重心從視網(wǎng)膜轉(zhuǎn)移到了大腦皮層。2011 年,該公司獲批在歐洲(以及 2013 年在美國)出售一種針對視網(wǎng)膜色素變性疾病的人造視網(wǎng)膜。(Second Sight 公司稱,超過 350 人在使用他們的 Argus II 視網(wǎng)膜假體。)

      費爾南德斯表示,植入技術(shù)的發(fā)展和對人類視覺系統(tǒng)的更精細(xì)的認(rèn)知,使他獲得了直接對大腦進行操作的信息。他說:“神經(jīng)系統(tǒng)中的信息和電子設(shè)備中存儲的信息沒什么不同?!蓖ㄟ^直接向大腦傳輸信號讓失明患者重見光明,這聽起來確實大膽,但數(shù)十年來,主流醫(yī)學(xué)所使用的植入人體的電子裝置一直都在利用這個基本原理。費爾南德斯舉例說:“已經(jīng)有許多電子設(shè)備與人體交互,起搏器就是其中之一。在感官系統(tǒng)中,我們有人工耳蝸?!?/p>

      上面提到的后一種設(shè)備是費爾南德斯為戈麥斯制造的聽覺假體:它由外部麥克風(fēng)和處理系統(tǒng)組成,處理系統(tǒng)可將數(shù)字信號傳輸?shù)絻?nèi)耳中的植入體。植入體的電極把電流傳輸給附近的神經(jīng),大腦就能將信號轉(zhuǎn)換成聲音了。人工耳蝸于 1961 年首次被植入聽覺障礙患者體內(nèi),目前協(xié)助全球超過 500 萬人順利進行日常生活中的對話。

      “戈麥斯是我們的首位病人,在接下來的幾年中,我們將在另外5個盲人中植入電極。”費爾南德斯說道?!拔覀円呀?jīng)進行了類似的動物實驗,但是貓和猴子無法表達它們看到了什么?!备犒溗箍梢?。參加實驗需要極大的勇氣。植入電極需要給這個其他方面健康的盲人做開顱手術(shù),而這一手術(shù)一直是具有風(fēng)險的。而且半年后,電極還要再取出來,因為這種假體尚未被批準(zhǔn)長期使用。

      痙攣和光幻視

      未見其人,先聞其聲。戈麥斯的聲音聽起來比她的實際年齡小十歲。她說出來的話是經(jīng)過斟酌的,她的節(jié)奏完全流暢,語氣溫暖,自信且穩(wěn)定。戈麥斯非常熟悉實驗室的布局,因此她在小走廊及其相連的房間中行走時,幾乎不需要幫助。

      伯納德塔·戈麥斯(Bernardeta Gó mez)大腦的電信號。每個方框代表一個電極,方框內(nèi)的波浪線表示神經(jīng)元釋放的電信號

      戈麥斯來實驗室是為了進行腦部核磁共振影像(MRI)檢查,以觀察假體取出半年后的情況(她看起來狀態(tài)良好)。在我參觀期間,可能參加實驗的第二位患者也在城里并來到了實驗室,戈麥斯來實驗室的第二個目的就是與這位患者見面。在會面中,當(dāng)費爾南德斯解釋硬件設(shè)備如何與頭部連接時,戈麥斯打斷了討論,她的身體向前傾,并將那位患者的手放在她腦后——也就是以前連接金屬的地方。那里目前已經(jīng)愈合好了,幾乎沒有留下曾經(jīng)存在創(chuàng)口的證據(jù)。她說,植入手術(shù)非常順利,以至于第二天她就去實驗室連接了電源,開始實驗。從那以后,她沒有發(fā)生任何異?;蚋惺艿饺魏瓮纯?。

      戈麥斯是幸運的。在她接受植入手術(shù)之前,類似的實驗在過去經(jīng)歷了曲折的過程。早在 1929 年,一位名為奧特弗里德·弗里斯特的德國神經(jīng)科醫(yī)生在一次手術(shù)期間發(fā)現(xiàn),在患者視覺皮質(zhì)中插入一根電極,患者會看到一個白點。他將這種現(xiàn)象命名為光幻視。此后,科學(xué)家便開始設(shè)想 “相機 - 計算機 - 大腦視覺假體” 的可能性。部分研究人員甚至開發(fā)出了初步的系統(tǒng)。21 世紀(jì)初,這個假設(shè)成為了現(xiàn)實,一位名為威廉 · 多貝利的生物醫(yī)學(xué)研究人員,在一名自愿接受試驗的患者頭部安裝了視覺假體。令人遺憾的是,作家史蒂文 · 科特勒至今回想起來 2002 年的那一幕,仍然忍不住感到害怕。他看到在多貝利調(diào)大電流后,患者倒在了地上,不住地抽搐。原因是電流過高對大腦的刺激過強,結(jié)果超出了大腦的承受范圍。多貝利的這位患者也發(fā)生了感染。但多貝利聲稱他這個笨重的系統(tǒng)已接近可以日常使用的水平,并發(fā)布了一段視頻,內(nèi)容為一名失明患者慢慢地、不平穩(wěn)地在一個封閉的停車場內(nèi)駕駛。多貝利 2004 年過世的時候,他的視覺假體也破滅了。

      與多貝利聲稱能使盲人完全重見光明相比,費爾南德斯要保守得多,他一直說的都是,“我們希望開發(fā)出可以供人使用的視覺系統(tǒng),但目前我們只是在進行早期試驗?!钡犒溗沟拇_曾重見光明。

      “釘床”

      戈麥斯能恢復(fù)視力背后的原理說起來相當(dāng)簡單,就是將相機產(chǎn)生的視頻信號傳輸給大腦,但細(xì)節(jié)要復(fù)雜得多。費爾南德斯及其團隊首先需要解決相機這一部分。人類視網(wǎng)膜會產(chǎn)生什么樣的信號?為了回答這個問題,費爾南德斯從最近去世的人眼中取出視網(wǎng)膜。這得益于他的實驗室與當(dāng)?shù)蒯t(yī)院的密切關(guān)系,器官捐贈者去世時,醫(yī)院有時會半夜打電話通知實驗室。研究人員將取出的視網(wǎng)膜與電極相連,把視網(wǎng)膜暴露在光線下,從而測量電極收到的信號。他的團隊還利用機器學(xué)習(xí)的方法,將視網(wǎng)膜輸出的電信號與簡單的視覺輸入匹配,這有助于編寫軟件來自動模擬這一過程。

      實驗的下一步,是記錄下電信號并將它傳輸給大腦。在費爾南德斯為戈麥斯研制的視覺假體中,一根電纜與一種常見的神經(jīng)植入體相連,這種神經(jīng)植入體被稱為猶他電極陣列,略小于 7 號電池凸起的正極。電極上有 100 個長約 1 毫米的微型電極凸起,看起來就像是一個微型釘床。每個電極可以向 1個~4 個神經(jīng)元傳輸電流。神經(jīng)電極植入患者頭部后,會穿過大腦表面;電極被取出后,100 個小血滴會填補空洞。

      費爾南德斯必須一個電極一個電極地校準(zhǔn),逐步加大電流,直到戈麥斯可以指出她何時和在哪里產(chǎn)生了光幻視。費爾南德斯花了一個多月才完成全部 100 個電極的校準(zhǔn)。費爾南德斯說:“我們這個方法的優(yōu)勢在于,電極陣列的電極穿進大腦,緊靠神經(jīng)元”。因此植入體產(chǎn)生視覺所需的電流遠低于多貝利的系統(tǒng),大大降低了發(fā)生痙攣的風(fēng)險。

      植入大腦的電極陣列上有 100 個 電極,看起來就像是一個微型釘床

      這種視覺假體的一大缺陷在于,沒有人知道電極最長能使用多久,超過這個期限則可能發(fā)生電極自身或?qū)κ褂谜吣X部的損害,這也是戈麥斯試驗期限不能超過6個月的主要原因。費爾南德斯說:“人體免疫系統(tǒng)會開始攻擊電極,在電極周圍產(chǎn)生瘢痕組織,因此會削弱信號?!彪S著人的活動,電極彎曲也是一個需要解決的問題。根據(jù)動物實驗以及戈麥斯使用電極序列的狀況預(yù)計,費爾南德斯認(rèn)為當(dāng)前的裝置可以使用 2年~3 年,甚至長達 10 年都不會有問題。他希望,經(jīng)過微調(diào)后,電極序列使用壽命可以延長到數(shù)十年,因為對于需要進行有創(chuàng)性的腦手術(shù)才能使用的醫(yī)療設(shè)備來說,使用壽命是重要的先決條件。

      像人工耳蝸一樣,視覺假體最后要真正普及,就需要將信號和電能無線傳輸經(jīng)頭骨到達電極。但目前,該團隊在實驗中使用的假體還需要使用有線連接。這樣,在最終確定設(shè)計前最便于更新硬件設(shè)施。

      在 10x10 像素的分辨率下,這也可能差不多是戈麥斯試用的系統(tǒng)的最大分辨率,人能識別基本的形狀,例如字母、門框和人行道。但臉部輪廓要復(fù)雜得多。因此費爾南德斯使用圖像識別軟件增強了他的系統(tǒng),軟件能識別房間內(nèi)的人,同時向戈麥斯的大腦發(fā)送一種她能識別的光幻視。費爾南德斯展示了一個 PPT,其中他寫道,分辨率達到 25x25 像素后,“是可能恢復(fù)視力的”。他說,由于當(dāng)前使用的猶他電極陣列尺寸非常小,而且只需要很小的電流,在大腦每側(cè)安裝 4個~6 個猶他電極陣列,對他的團隊來說不存在什么技術(shù)障礙,這樣就可以為患者提供 60x60 像素,甚至分辨率更高的視野。但一個問題是,目前還沒有搞清楚大腦能接受電極傳輸?shù)男盘柹舷奘嵌嗌?,才不過載,也不變會成電視的“雪花屏”。

      系統(tǒng)使用體驗

      戈麥斯表示,如果有機會的話,她會一直使用費爾南德斯的視覺假體。如果將來有新的版本,她將申請成為第一批試用者。戈麥斯打算在費爾南德斯完成對她試用的電極陣列的分析后,她想把電極裝裱起來掛在客廳墻上,留作紀(jì)念。

      費爾南德斯和他指導(dǎo)的研究生,將一款初版相機與計算機相連

      在費爾南德斯的實驗室,他給了我一次機會來試用他用來給患者做檢查的無創(chuàng)設(shè)備。戈麥斯去年參加這個具有重大突破意義的實驗時,就坐在我現(xiàn)在所坐的真皮椅子上,一位神經(jīng)學(xué)家手持一根帶有兩個圓環(huán)的棒,將圓環(huán)貼在我頭部兩側(cè)。這個裝置被稱為“蝴蝶線圈”,與一個可以發(fā)出電磁脈沖、刺激神經(jīng)元的盒子相連——這種現(xiàn)象就是經(jīng)顱磁刺激。第一次刺激給我的感覺是好像有人在敲我的頭皮,我的手指不由自主地蜷縮了起來。費爾南德斯笑著說:“你看,起作用了!剛才刺激的是你的皮層運動區(qū)。現(xiàn)在我們將嘗試讓你產(chǎn)生光幻視。”神經(jīng)學(xué)家調(diào)整了那根棒的位置,讓機器快速發(fā)出脈沖。當(dāng)她開始后,我感受到了強烈的電流 “滋滋” 聲,好像是有人把我的后腦殼當(dāng)作門環(huán)一樣。雖然我睜著眼,但還是看到了一條明亮的水平線劃過我的視野的中心,和兩個閃爍的三角形,三角形內(nèi)部像電視屏幕沒信號時的雪花。這些幻視可謂來去匆匆,只留下一點殘光。費爾南德斯說:“這跟戈麥斯能看到的東西很像。”區(qū)別在于只要信號傳輸?shù)剿拇竽X,她所 “看到” 的世界就穩(wěn)定了。戴著眼鏡的時候,她也可以轉(zhuǎn)過頭環(huán)顧房間,而我所看到的僅僅是電刺激大腦在腦內(nèi)產(chǎn)生的幻像。

      實際上,16 年來,戈麥斯終于可以第一次伸手觸摸她看到的這個世界了。(摘自美《深科技》)(編輯/諾伊克)

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