腦海成像術(shù)在大腦里“畫(huà)”出字母“眼冒金星”能讓盲人重見(jiàn)光明

很多人都有“眼冒金星”的經(jīng)歷，比如因?yàn)轲囸I或者過(guò)度勞累等都會(huì)發(fā)生這種現(xiàn)象，其實(shí)盲人也會(huì)“眼冒金星”。科學(xué)家把這種情況叫“光幻視”，利用這種原理結(jié)合電極和電刺激等前沿技術(shù)，有望讓盲人重見(jiàn)光明，目前已用這種技術(shù)讓盲人能“看”到簡(jiǎn)單的字母和圖形。

人眼結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)你久坐或久蹲后猛然起身，或者“嘭”的一聲被飛來(lái)的足球砸中腦袋，相信會(huì)有“眼冒金星”的感覺(jué)。人們常說(shuō)“眼見(jiàn)為實(shí)”，可你眼前這種“金星”和看見(jiàn)別的東西不太一樣，因?yàn)椤敖鹦恰辈⒉粚?shí)際存在，你卻“看見(jiàn)”了它們，哪怕閉上眼睛還是“依稀可見(jiàn)”，這是眼睛出了問(wèn)題嗎？

我們是用“大腦”看世界

每天我們用眼睛來(lái)看路、看新聞、看朋友圈、看食物、看美景。沒(méi)有了眼睛，我們什么都看不到了?？赡愦_定是“眼睛在看”嗎？美國(guó)威斯康辛大學(xué)保羅·利塔教授的團(tuán)隊(duì)有一個(gè)顛覆常識(shí)的發(fā)現(xiàn)：人類(lèi)是用大腦在看世界，而不是我們一直以為的眼睛。

我們看見(jiàn)事物的過(guò)程分為眼睛成像和視覺(jué)信號(hào)處理兩個(gè)過(guò)程。

眼睛成像是一個(gè)光學(xué)過(guò)程，來(lái)自無(wú)窮遠(yuǎn)處的平行光從空氣進(jìn)入眼睛內(nèi)，依次通過(guò)由淚膜、角膜、房水、晶狀體、玻璃體組成的凸透鏡屈光介質(zhì)，最終平行光在視網(wǎng)膜上聚焦成像，物體以光信號(hào)的形式傳遞到了視網(wǎng)膜上。接收到光信號(hào)以后，視網(wǎng)膜上的視錐細(xì)胞和視桿細(xì)胞會(huì)把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。隨后，電信號(hào)通過(guò)視覺(jué)神經(jīng)系統(tǒng)傳遞到大腦的視覺(jué)中樞，視覺(jué)中樞識(shí)別并處理這些包含物體顏色、形狀、大小、遠(yuǎn)近等電信號(hào)組成的視覺(jué)信息，最終大腦反饋并告知我們看到的是人還是狗、朋友還是敵人。

因此，眼睛成像和視覺(jué)信號(hào)處理過(guò)程中任何一個(gè)環(huán)節(jié)出問(wèn)題都會(huì)導(dǎo)致我們“看不見(jiàn)”。

當(dāng)你走到一個(gè)伸手不見(jiàn)五指的地方就會(huì)變成“兩眼一抹黑”，這是因?yàn)檠劬o(wú)法接受光線(xiàn)的刺激，不會(huì)發(fā)生眼睛成像的過(guò)程，視覺(jué)中樞便不進(jìn)行信號(hào)處理，大腦自然也就沒(méi)有任何信息會(huì)反饋給我們，因此我們就什么都看不見(jiàn)。

然而，有時(shí)候某些物體雖然通過(guò)光線(xiàn)刺激了我們的感光細(xì)胞，但因?yàn)橐曈X(jué)神經(jīng)系統(tǒng)的注意力并不在此，導(dǎo)致我們“看不到”。有一個(gè)著名的注意力實(shí)驗(yàn)，主持人要求大家統(tǒng)計(jì)在一個(gè)約30秒的視頻內(nèi)總共傳遞了幾次籃球。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，大家都可以回答出總共傳遞了幾次籃球，然而當(dāng)被問(wèn)到是否看見(jiàn)視頻里有一只黑猩猩的時(shí)候，結(jié)果只有少數(shù)人舉手。一只在平時(shí)一定會(huì)注意到的黑猩猩，可當(dāng)大家注意力不在這里的時(shí)候，視覺(jué)中樞沒(méi)對(duì)眼睛接收到的視覺(jué)信息進(jìn)行處理，導(dǎo)致“視而不見(jiàn)”。

因此，保羅·利塔總結(jié)說(shuō)：“眼睛只是負(fù)責(zé)接收光信號(hào)，大腦才是負(fù)責(zé)看的?！?/p>

大腦光電信號(hào)轉(zhuǎn)換會(huì)出錯(cuò)

就拿“眼冒金星”來(lái)說(shuō)，為何并不存在的“金星”

人類(lèi)看見(jiàn)東西的過(guò)程示意圖

會(huì)讓你有視覺(jué)效果？

其實(shí)，在人類(lèi)用大腦“看”世界的過(guò)程中，視覺(jué)中樞不僅將物體的電信號(hào)翻譯成視覺(jué)信息，也會(huì)將眼前出現(xiàn)的各種異常光感、人腦受到重?fù)舻取胺g”成視覺(jué)信息再反饋給大腦，但神經(jīng)細(xì)胞最終解讀出來(lái)的圖像就類(lèi)似“滿(mǎn)天星光”。

當(dāng)你久坐或久蹲后突然起身、身體疲憊或饑餓、精神受到嚴(yán)重刺激時(shí)，眼部供血不足會(huì)造成視網(wǎng)膜暫時(shí)缺血，從而引起視網(wǎng)膜成像和信號(hào)轉(zhuǎn)換功能異常，最終導(dǎo)致大腦“看”到的是閃光的星星。

此外，在腦部受到撞擊或刺激影響時(shí)，會(huì)出現(xiàn)短暫的眼冒金星，主要原因是大腦在受到撞擊和刺激后，視網(wǎng)膜上的視錐細(xì)胞和視桿細(xì)胞發(fā)生顫動(dòng)，并導(dǎo)致光電信號(hào)轉(zhuǎn)換錯(cuò)誤，同時(shí)電信號(hào)傳遞過(guò)程也受到影響，因此成像紊亂，讓你眼冒金星。

有望幫盲人“看”到世界

眼冒金星這種現(xiàn)象最早被古希臘哲學(xué)家和生理學(xué)家阿爾克梅恩描述為“光幻視”，他認(rèn)為這是機(jī)械力作用于眼球時(shí)，視網(wǎng)膜上的神經(jīng)細(xì)胞產(chǎn)生的光反應(yīng)。1755年，法國(guó)醫(yī)生查爾斯勒·羅·伊發(fā)現(xiàn)，控制光幻視現(xiàn)象的是大腦的初級(jí)視覺(jué)皮層（也稱(chēng)作V1區(qū)），這個(gè)區(qū)域在失明數(shù)十年后并不會(huì)受到損害，這就為盲人復(fù)明提供了可能性。

在生活中，很多人在久坐后猛然起身，都會(huì)出現(xiàn)“眼冒金星”的情況。

“眼冒金星”最早被古希臘哲學(xué)家和生理學(xué)家阿爾克梅恩描述為“光幻視”

研究人員在受試者大腦皮層上“繪制”圖形的輪廓，他們“看”到了圖形的存在，還能在觸摸屏上準(zhǔn)確地再現(xiàn)腦海中的圖形。

美國(guó)麻省理工學(xué)院的彼特·希勒博士就帶著這個(gè)念頭對(duì)光幻視開(kāi)始了探索。

希勒對(duì)恒河猴進(jìn)行了特殊訓(xùn)練，讓它們?cè)谝曇爸谐霈F(xiàn)兩個(gè)點(diǎn)時(shí)目光再移向更大更亮的點(diǎn)，隨后將電極嵌入恒河猴的V1區(qū)，并產(chǎn)生不同大小的“金星”讓猴們判斷大小。在重復(fù)了70多次實(shí)驗(yàn)后，猴子“告訴”實(shí)驗(yàn)者們“金星”的大小約為9～26弧分（60弧分為1度），而且改變電極電流大小對(duì)猴子判斷“金星”大小幾乎沒(méi)有影響。

希勒還做了一個(gè)背景轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)，研究了“金星”是什么顏色。猴子的視野中心預(yù)設(shè)一個(gè)很小的光點(diǎn)作對(duì)照點(diǎn)，電極激發(fā)產(chǎn)生的光點(diǎn)則作為實(shí)驗(yàn)點(diǎn)出現(xiàn)在對(duì)照點(diǎn)下方。不斷改變視野中背景顏色，當(dāng)背景顏色與實(shí)驗(yàn)顏色不同時(shí)，猴子會(huì)一直盯著實(shí)驗(yàn)點(diǎn)。一旦背景顏色與實(shí)驗(yàn)顏色相同，實(shí)驗(yàn)點(diǎn)消失，猴子的目光便會(huì)上移，看著中心的對(duì)照點(diǎn)，這時(shí)研究者便知道電極激發(fā)產(chǎn)生的光點(diǎn)顏色即為當(dāng)前的背景色。同樣經(jīng)過(guò)70多次實(shí)驗(yàn)后，研究者發(fā)現(xiàn)“金星”色彩多變，包括灰暗的粉色、藍(lán)色、綠色、黃色等。

希勒的終極目標(biāo)是利用一臺(tái)電腦將攝像機(jī)和刺激人腦視覺(jué)皮層的電極連接起來(lái)，將攝像機(jī)拍下的景象轉(zhuǎn)換成刺激人腦的電信號(hào)，使產(chǎn)生的“金星”組成相應(yīng)的圖像，這或許能讓盲人以一種獨(dú)特的方式“看見(jiàn)”世界。

視覺(jué)殘疾群體日益擴(kuò)大

很多人都會(huì)發(fā)現(xiàn)自己的視力不斷衰退，身邊盲人和視覺(jué)嚴(yán)重受損的病患也日益增加。據(jù)相關(guān)媒體統(tǒng)計(jì)資料顯示，我國(guó)約14億人中，視力殘疾的患病率為1.53%，人數(shù)高達(dá)2142萬(wàn)人。

2018年，世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計(jì)全球約有盲人3600萬(wàn)人，研究人員表示，在未來(lái)的40年里全球盲人數(shù)量將增兩倍。英國(guó)知名醫(yī)學(xué)雜志《柳葉刀·全球健康》發(fā)文預(yù)測(cè)，如果不投資改善治療盲人情況，到2050年，全球盲人病例將增加到1.15億。此外，來(lái)自188個(gè)國(guó)家的數(shù)據(jù)分析顯示，超過(guò)2億人患有重度視力障礙，到2050年將上升到5.5億。

隨著盲人的增多和視覺(jué)衰減群體的日益擴(kuò)大，倘若通過(guò)人工視覺(jué)使得希勒的技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)，盲人眼中的“金星”或許可以照亮他們的世界。

腦海成像術(shù)在盲人腦海畫(huà)出字母

美國(guó)麻省理工學(xué)院腦與認(rèn)知科學(xué)系神經(jīng)科學(xué)教授彼得·希勒

腦機(jī)交互示意圖：眼睛佩戴一副涂黑且配備微型攝像機(jī)的改造眼鏡，這副眼鏡連接的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可處理實(shí)時(shí)視頻輸入，并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，電信號(hào)傳輸?shù)侥X后視覺(jué)皮層的電極。

早在上世紀(jì)60年代，科學(xué)家就提出了人工視覺(jué)的想法：他們假設(shè)刺激大腦皮層的多個(gè)點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)多個(gè)光幻視，這些光幻視會(huì)“自動(dòng)結(jié)合”成可被理解的形式，就像電腦屏幕上的多個(gè)單像素可以組成特定圖案?？扇祟?lèi)大腦遠(yuǎn)比電腦顯示器復(fù)雜，從光幻視的組合中產(chǎn)生可識(shí)別的形式還是非常困難的。美國(guó)貝勒醫(yī)學(xué)院丹尼爾·約瑟教授的團(tuán)隊(duì)歷盡千辛萬(wàn)苦，找到了在受試者腦海中呈現(xiàn)出指定圖像的方法。

對(duì)絕大多數(shù)盲人來(lái)說(shuō)，失明主要是由于眼睛或視神經(jīng)受損，但他們的大腦與常人沒(méi)什么不同。丹尼爾團(tuán)隊(duì)直接繞過(guò)受損的眼睛和視神經(jīng)，并將圖像信息進(jìn)行人工處理和編碼后，利用插入視覺(jué)皮層的微電極陣列對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)進(jìn)行刺激，從而讓盲人恢復(fù)部分視力。

研究人員在5名受試者大腦皮層放置了電極陣列，其中3人視力受損但沒(méi)完全失明，2人完全失明。如果一次激活一個(gè)電極，受試者能在其預(yù)測(cè)區(qū)域內(nèi)看到一個(gè)光幻視（針尖狀的光）出現(xiàn)；如果同時(shí)激活不同的電極，讓其排列組成字母“Z”，單個(gè)的光幻視還有，但受試者僅能看到一些沒(méi)有意義的圖形，無(wú)法看到字母“Z”。

受在手心書(shū)寫(xiě)的方式會(huì)讓患者產(chǎn)生對(duì)所寫(xiě)字母形成連貫感知的啟發(fā)，丹尼爾做了嘗試：結(jié)合電流轉(zhuǎn)向和動(dòng)態(tài)刺激通過(guò)精準(zhǔn)的電流控制，依次激活電極陣列上不同的電極，使得這些電極排列組成字母“Z”，在5名受試者大腦皮層上繪制字母“Z”的輪廓，結(jié)果他們都“看”到了字母“Z”的存在，并能在觸摸屏上準(zhǔn)確地再現(xiàn)字母“Z”。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：盲人可以利用動(dòng)態(tài)激活電極方式直接將視覺(jué)信息輸入大腦，以此來(lái)重新獲得識(shí)別視覺(jué)信息的能力。

還有諸多瓶頸待突破

然而，要把丹尼爾團(tuán)隊(duì)的研究應(yīng)用到人工視覺(jué)上，還存在許多挑戰(zhàn)。

研究人員只是刺激了大腦皮層的一小部分神經(jīng)元，僅實(shí)現(xiàn)了字母信息的傳遞。但人類(lèi)的視覺(jué)皮層包含了數(shù)十億個(gè)神經(jīng)元，要實(shí)現(xiàn)人工視覺(jué)就需要成千上萬(wàn)個(gè)電極。要傳遞更加復(fù)雜的圖案，成千上萬(wàn)個(gè)大腦皮層電極還需設(shè)計(jì)成穿透視覺(jué)皮層的方案，讓電極尖端更接近位于皮層表面下幾百微米的神經(jīng)元。

57歲的伯納德塔·戈麥斯在經(jīng)歷了16年的黑暗之后，終于可以看到一個(gè)低分辨率的世界。

還有，大腦皮層電極的激活需要強(qiáng)電場(chǎng)，可讓穿透大腦皮層的電極產(chǎn)生精確的光幻視所需要的電場(chǎng)就弱得多。為了激活不同的電極，就要制造出適應(yīng)大腦皮層和穿透皮層需所需的不同強(qiáng)度的電場(chǎng)。此外，讓人工視覺(jué)長(zhǎng)久運(yùn)轉(zhuǎn)，還要發(fā)明能長(zhǎng)時(shí)間與腦組織相容的新電極。然而，目前傳輸電信號(hào)到大腦的電極不僅會(huì)造成大腦損傷，而且作用時(shí)間不夠長(zhǎng)。另外，不同失明患者所需要的電極不同，有些患者可能更適合植入深層電極，有些患者可能更適合大腦皮層電極。

更重要的是，在一系列的人工視覺(jué)設(shè)備實(shí)驗(yàn)中所使用的電極是插入式直接接觸大腦，會(huì)造成腦組織損傷、大腦炎癥以及留下傷疤等，都會(huì)導(dǎo)致電極與腦細(xì)胞之間電流傳輸效率降低。

新型線(xiàn)圈克難攻堅(jiān)

為了解決上述問(wèn)題，哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院開(kāi)啟了一項(xiàng)全新實(shí)驗(yàn)：給猴子大腦中包裹一連串毛發(fā)狀的微型線(xiàn)圈持續(xù)產(chǎn)生定向磁場(chǎng)，以刺激腦組織中的特定區(qū)域，向猴子大腦中不斷傳輸數(shù)據(jù)。

首先，不同于電極產(chǎn)生的電場(chǎng)，由線(xiàn)圈磁力刺激產(chǎn)生的電場(chǎng)極其不對(duì)稱(chēng)，科學(xué)家可以選擇性地激活所需神經(jīng)元，而不會(huì)干擾到其他神經(jīng)元。其次，線(xiàn)圈磁場(chǎng)很容易穿過(guò)生物組織，即便是在線(xiàn)圈被牢牢包裹的情況下也會(huì)持續(xù)發(fā)揮作用，微型線(xiàn)圈的刺激效果十分穩(wěn)定。還有，微型線(xiàn)圈和神經(jīng)組織之間沒(méi)有直接的電流接觸，大腦也就不存在腦組織損傷、大腦炎癥和結(jié)巴等風(fēng)險(xiǎn)，微型線(xiàn)圈更加安全。

植入大腦的電極陣列上有100個(gè)電極，看起來(lái)就像一個(gè)微型釘床。

圖中所示的微型線(xiàn)圈可以刺激腦組織內(nèi)的電流活動(dòng)

電極刺激大腦示意圖

發(fā)明這一微型線(xiàn)圈的施樂(lè)凱公司帕克研究中心預(yù)期，新型線(xiàn)圈將極大提升實(shí)驗(yàn)對(duì)象的空間定位能力，受試者在物體識(shí)別、運(yùn)動(dòng)檢測(cè)、復(fù)雜區(qū)域?qū)Ш胶投惚苷系K物的能力都會(huì)得到改善。

靠譜的軟件更重要

要使人工視覺(jué)設(shè)備真正對(duì)盲人有用，除了優(yōu)化物理電極及操作方式，科學(xué)家還必須開(kāi)發(fā)出可靠的軟件，改進(jìn)刺激算法，幫助過(guò)濾和處理用戶(hù)視覺(jué)信息，來(lái)實(shí)現(xiàn)大腦和軟件的交互，從而讓盲人“復(fù)明”。

西班牙米格爾·埃爾南德斯大學(xué)完成了一項(xiàng)腦機(jī)交互的實(shí)驗(yàn)，57歲的伯納德塔·戈麥斯在經(jīng)歷了16年的黑暗之后，終于能看到發(fā)光的黃白色圓點(diǎn)和形狀——一個(gè)低分辨率世界。戈麥斯佩戴一副涂黑且配備微型攝像機(jī)的特制眼鏡，這副眼鏡連接的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可處理實(shí)時(shí)視頻輸入，并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。電信號(hào)先通過(guò)連接計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與戈麥斯的電纜和端口，然后傳輸?shù)脚c端口相連的植入在腦后視覺(jué)皮層的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。她甚至還玩了一個(gè)類(lèi)似《吃豆人》的游戲，這個(gè)簡(jiǎn)單的游戲也是直接輸送到她的大腦的。

通過(guò)腦機(jī)交互直接向大腦傳輸信號(hào)能讓失明患者重見(jiàn)光明，這聽(tīng)起來(lái)確實(shí)大膽。想象一下，未來(lái)的某一天，一位盲人走進(jìn)一間手術(shù)室，然后醫(yī)生在他大腦中植入電極，所有電極的植入速度和效率都如做激光近視眼科手術(shù)時(shí)一樣快。手術(shù)結(jié)束后，通過(guò)一款簡(jiǎn)單的手機(jī)軟件將攝像頭采集的視頻通過(guò)無(wú)線(xiàn)信號(hào)傳輸至大腦電極，盲人就可以看到色彩繽紛的世界。當(dāng)然，實(shí)現(xiàn)這一步，還需要各國(guó)科學(xué)家長(zhǎng)期的努力