大腦植入電極后，失明十六年的盲人重新看見

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）