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脑机接口迎来新突破?失明患者在大脑中植入电极后重见光明_详细解读_最新资讯_热点事件

能看到一条画在白板上的黑线,对一个普通人来说没什么了不起,但对于失明16年的戈麦斯来说,却是十分惊喜的。

视神经病变破坏了连接眼睛和大脑的神经,42岁的戈麦斯至此失明,甚至感受不到一点光线;16年后,一项“新技术”让58岁的她重见光明——虽然看到的仅是黄白色的点和图案。

脑机接口迎来新突破?失明患者在大脑中植入电极后重见光明

佩戴着装备有相机的眼镜的戈麦斯

类似人工耳蜗与起搏器

这归功于一副经过改进的眼镜,该眼镜被涂黑并配备了微型相机——已连接到处理实时视频输入的计算机,并将其转换为电子信号。 悬挂在天花板上的电缆将系统连接到嵌在戈麦斯头骨后部的端口,该端口与大脑后部视觉皮层中的100电极植入物相连。借助该系统,她能看到吸顶灯、人和印在纸上的字母、基本图形,甚至能玩一款简单小游戏。

以上是米格尔·埃尔南德斯大学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。而长期以来,大多数研究者都尝试通过人工眼睛或视网膜,帮助失明患者恢复视力,取得了一定成功。在商业化案例上,尤以Second Sight最为典型,它分别在2011、2013年获得批准,在欧洲和美国销售人造视网膜。

但对那些连接视网膜和视觉皮质的神经受到损害的患者而言,这种方法并不管用。费尔南德斯通过植入技术直接直接向大脑传输信号实现了突破。其实该技术原理并不新鲜,数十年来,主流医疗设备一直都在利用其基本原理,譬如起搏器、人工耳蜗。

人工耳蜗为例,它主要由两部分组成:处理系统和内耳植入体。前者对外部麦克风产生的信号进行处理,并将数字信号传输给后者;后者的电极把电流传输给附近的神经,大脑对神经传来的信号进行处理。至1961年面世以来,目前人工耳蜗已被全球超过50万人使用。

曲折的实验历程

事实上,此前类似实验早已存在,但几乎没有成功案例。

据悉,早在1929年,德国神经科医生奥特弗里德·弗里斯特(Otfrid Foerster)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。此后,科学家和科幻作者设想出各种人造视觉系统:信号传播路线为相机-计算机-大脑;更有甚者开发出了初步的系统。

2000年代初期,这一假设成为现实。生物医学研究人员威廉·多贝利(William Dobelle)在一名自愿接受试验的患者头部安装了人工视觉系统,但在开启系统不久后,患者发生痉挛并倒在地上。原因是因为电流过高,对大脑的刺激过强,超出了正常范围。

与多贝利相比,费尔南德斯要保守得多,背后的细节也要复杂得多:

首先,要解决相机问题,即人类视网膜会生成何种信号?为此,他从刚刚死去的人眼睛中取出视网膜,将视网膜与电极相连,并暴露在光线下了解电极的信号;其团队还利用AI技术,将视网膜输出的电信号与简单的视觉输入匹配,以编写软件便于自动模拟该过程。

其次,要将电信号传输给大脑。在费尔南德斯研制的人工视觉系统中,一根电缆与多通道神经电极(尺寸略小于AAA电池凸起的正极)相连。多通道神经电极上有100个微型电极,每个电极可向1-4个神经元传输电流。在患者头部植入多通道神经电极时,电极会穿过大脑表面。为确保安全,还必须对电极逐个校准,逐步加大电流,直到受试者产生光幻视。

脑机接口迎来新突破?失明患者在大脑中植入电极后重见光明

多通道神经电极有100个微型电极

商业化:挑战与前景

成功不是一蹴而就的,费尔南德斯也有着对系统功能细节的诸多担忧。

首先,人体免疫系统会攻击电极,在电极周围产生瘢痕组织,从而削弱信号。其次,目前无法知道电极的正常使用寿命——对于要通过脑部手术才能使用的医疗设备而言,使用寿命是重要的先决条件。最后,不清楚大脑从多通道神经电极接受信号的负载能力,无法贸然提升图像分辨率,以“确保”恢复视力。

为此,费尔南德斯表示,尽管开展了动物实验,但动物无法表达感受,未来数年,还会在5名失明患者植入该系统。另外他还指出,类似人工耳蜗,人工视觉系统要实现真正普及,还需要通过无线方式向电极传输信号和电能;但目前该系统还需要使用有线连接,未来也需要许多次迭代才可能最终定型。

不过值得期许的是,全球失明患者达到3600万,费尔南德斯的方法它绕过了眼睛和视神经,能满足人工视网膜无法解决的其中大部分患者的需求。一旦该技术试验成功并走上临床,势必能掀起一股浪潮,我们也期待更多团队能投入到该技术的研发及产业化进程中。

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参考资料:

https://www.technologyreview.com/s/615148/a-new-implant-for-blind-people-jacks-directly-into-the-brain/

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