让盲人“看”到字符！科学家用动态电流刺激视觉皮层获突破
最后更新：2020-05-20 12:06:14 手机定位技术交流文章
对于一个盲人来说，阅读和写作是非常困难的。他们通常必须学习特殊的盲文。盲文由不同的凸起组合组成。盲人可以通过触摸理解字符的含义。
然而，这件事将来可能会好转。科学家正试图让盲人直接在大脑中“看到”一些简单的字符。
来自德克萨斯州休斯顿贝勒医学院神经外科和加州大学洛杉矶分校神经外科的研究小组在他们的实验中发明了一种新策略。通过刺激动态序列中的电极来跟踪视觉皮层表面的形状，盲人可以“看到”这些字母，并快速识别和绘制它们。目前，每分钟最多可以改变86种字符模式。这些发现表明，盲人也可以通过一些辅助手段产生连贯的视觉形式。这项研究最近发表在《细胞》杂志上。
图|用电流刺激大脑皮层，让盲人感受人物(来源:细胞)
大多数获得性失明的人只遭受眼睛或视觉神经损伤，这也是大脑视觉皮层假体的希望(VCP)。该设备可以绕过眼睛和视觉神经，将视觉信息直接传输到视觉皮层。长期以来，人们一直在推广使用视觉皮层假体作为恢复盲人有用视力的策略，只要视觉皮层的电刺激产生的小光点的视觉感知能够结合成视觉的连贯感知形式。
自20世纪60年代以来，科学家们开始做相关的研究。基于VCP设备的多个电极阵列的电流刺激，大脑的视觉皮层可以让人们在闭眼或无光的状态下“看到”一些特殊的光点，这被称为磷光感知。
早期科学家有一个基本假设，即如果视觉皮层上的多个点被刺激产生多个光点，它们将“自动合并”形成一个可理解的图像，就像计算机屏幕上的多个像素点聚集在一起产生一个图像一样。然而，现实是大脑神经比电脑显示器复杂得多，人类还没有完全理解和掌握大脑成像的原因。这个假设目前也很难证明，许多磷光体感知点很难组合成预期的形式。
为了克服这个障碍，来自贝勒医学院和加州大学洛杉矶分校的研究人员提出了一种动态激活一系列电极的新方法。原理类似于我们不断在一个人的手掌上描绘字母“Z”。即使这个人闭上眼睛，他也能很快察觉到这个人物的形状是“Z”。同样，现有的VCP已经包含了几十个电极。通过将字母转换成特殊的动态电流序列，盲人可以在大脑中感觉到它。
图|静态刺激和动态刺激之间的效果差异(来源:细胞)
现有VCP使用的电刺激范例和多探针方法可以一次或间隔时间刺激多个电极，但是测试结果仍然是不一致的感知。
研究人员认为，电极之间的不连续位置需要额外的“处理”来在视觉皮层中产生连续的轨迹，因此该团队采用了一种电流控制技术来实现连续的轨迹控制:如果电流流过两个相邻的电极，在它们之间就会产生一个虚拟电极，并且转移到相邻电极的电流量会发生变化，这样虚拟电极就可以沿着两个物理电极之间的线段定位在不同的位置。
结果表明，在盲人被试中，受动态电流序列刺激后，被试可以很容易地在触摸屏上重现每个字母，并且字母的感知形状与实际形状有着惊人的匹配度。在一组28个字符的测试中，盲人正确描绘了23个字符，准确率为82%。在另一组测试中，参与者正确识别了40个字符中的37个，准确率为93%。研究人员认为，不同刺激序列产生的感知差异对最终的准确性有直接影响。
此外，识别准确率也与刺激率密切相关。在一组实验中，研究人员通过动态电流序列描绘了上行或下行的感知。每个序列的刺激时间是200毫秒，随后是500毫秒的响应窗口。在30个测试序列中，参与者准确识别了26种形式，准确率为87%。在另一组实验中，使用动态电流刺激来产生字母“U”或“C”的形状。刺激时间为700毫秒，随后是1300毫秒的响应窗口。在36个实验的序列中，盲人正确识别了33种形式，正确率为92%。
图|不同字符的相关刺激点和测试数据(来源:单元格)
研究人员预计，在动态电流刺激条件下，盲人可以通过改变刺激相同电极的顺序来感知不同的字符形式。参与者可以可靠地画出和区分这些字符，等等。将来，同样的原理也可以用于跟踪其他常见物体的轮廓，如脸、身体、房子、汽车、桌子或椅子。结合现代机器视觉算法，可以快速识别视觉场景中的物体，并通过动态刺激为盲人提供周围环境中重要物体的快速轮廓或导航提示。
这项研究仅用几十个电极就取得了初步结果，更大胆的预测是，未来的视觉修复设备可能包括“数千个电极”，这些电极可以穿透大脑皮层，使电极尖端更靠近位于大脑皮层表面数百微米以下的神经元，从而实现更精确的成像。
然而，专家也表示，电流电极进入大脑会导致大脑损伤，并且不能长时间工作。从根本上说，我们需要理解的一件事是，失明并不是一种威胁生命的疾病，因此我们需要利用利益的充分平衡来判断进一步的风险。同样非常重要的是，除了优化这些物理电极及其操作方法，科学家还必须开发可靠的软件来帮助盲人过滤和处理真实环境中的视觉信息，并且需要构建一个完整的系统，以便盲人能够实际使用它们。
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