在大腦中植入 100 根電極後，失明 16 年的患者重見光明

本文編譯自鳳凰網科技頻道，原文作者 Russ Juskalian，譯者霜葉，愛範兒經授權發佈。

▲ 戈麥斯大腦的電信號，每個格子代表一個電極，格子中彎彎曲曲的線條，顯示的是來自神經元的信號

伯恩娜迪塔·戈麥斯（Bernardeta Gómez）一邊用手指着面前白板上的一條黑線，一邊操着西班牙當地口音説，「Allí」（西班牙語「那裏」）。

對於一名 57 歲的女性來説，能看到這樣一條畫在白板上的黑線，真沒有什麼值得炫耀的。但對於失明 16 年的戈麥斯來説，這卻是了不起的。42 歲時，視神經病變破壞了連接戈麥斯眼睛和大腦的神經，她也因此完全失明，甚至感受不到一點光線。
16 年後，戈麥斯獲得了一個機會，可以有 6 個月時間模模糊糊地看到周圍的世界，雖然她看到的只不過是黃白色的點和圖案。

讓戈麥斯重見光明的是一副裝備有微型相機的眼鏡，視頻經過一台計算機處理後轉換成電信號。房頂上垂下的一根電纜，把信號經由植入顱骨中的一個端口，傳導給植入在戈麥斯視覺皮質中的 100 根電極。


▲ 佩戴着裝備有相機的眼鏡的戈麥斯

藉助這一系統，戈麥斯能看到吸頂燈、人和印在紙上的字母、基本圖形，她甚至能玩一款簡單的《吃豆人》類遊戲。
戈麥斯在 2018 年底首次重見光明，這是位於西班牙埃爾切的米格爾·埃爾南德斯大學神經工程系主任愛德華多·費爾南德斯（Eduardo Fernandez）數十年研究的成果。

費爾南德斯為自己定下了一個目標：讓全球儘可能多的失明患者恢復視力。資料顯示，全球失明患者達到 3600 萬。費爾南德斯的方法令人興奮，因為它繞過了眼睛和視神經。

在使失明患者重見光明的早期研究中，大多數都嘗試通過人工眼睛或視網膜，幫助他們恢復視力。這些研究也獲得了一定成功。

但以戈麥斯為代表的絕大多數失明患者，都是連接視網膜和視覺皮質的神經受到損害，人造眼睛不足以讓他們重見光明。這也是 2015 年 Second Sight 放棄 20 年的努力，將研究重點由視網膜轉向視覺皮質的原因。

Second Sight 於 2011、2013 年獲得批准，在歐洲和美國銷售一款人造視網膜。Second Sight 稱，逾 350 人在使用其 Argus II 人造視網膜。

在我（指原文作者魯斯·賈斯卡蓮（Russ Juskalian））最近一次造訪埃爾切時，費爾南德斯告訴我，植入技術的進展，對人類視覺系統更精確的理解，使他獲得了直接通過對大腦進行操作，讓盲人重見光明的信心，「在神經系統中的信息，與在電子設備中的信息沒什麼兩樣」。
通過直接向大腦傳輸信號讓失明患者重見光明聽起來確實大膽，但數十年來，主流醫療設備一直都在利用其基本原理。費爾南德斯解釋説，「現在，大量電子設備都與人體交互，起搏器就是其中之一，傳感器系統方面的一個代表是人工耳蝸。」


▲ 為戈麥斯植入人工視覺系統的費爾南德斯

人工耳蝸主要由兩部分組成：處理系統對外部麥克風產生的信號進行處理，並將數字信號傳輸給內耳中的植入體，植入體的電極把電流傳輸給附近的神經，大腦對神經傳來的信號進行處理，聽覺障礙患者就能聽到聲音了。

人工耳蝸首次用來幫助聽覺障礙患者聽到聲音是 1961 年，目前全球有逾五十萬人在使用人工耳蝸。
費爾南德斯説，「戈麥斯是我們的第一位患者，但未來數年，我們將為 5 名失明患者植入這一系統。我們在動物中進行了類似實驗，貓或猴子不能告訴我們它們看到了什麼。」

但戈麥斯能。

作為實驗對象，戈麥斯需要極大勇氣。她需要通過腦部手術植入電極，半年後再取出來（因為這一技術尚未得到監管機構批准），萬一出點問題，她就可能受到更大傷害。

痙攣和光幻視

戈麥斯是幸運的。在她之前，類似實驗還是很曲折的。

早在 1929 年，一位名為奧特弗裏德·弗里斯特（Otfrid Foerster）的德國神經科醫生，在一次手術期間發現，在患者視覺皮質中插入一根電極，患者會看到一個白點。

此後，科學家和科幻作者腦洞大開，設想出各種人造視覺系統：信號傳播路線為相機-計算機-大腦。部分研究人員甚至開發出初步的系統。

2000 年代初期，這一假設成為現實，一位名為威廉·多貝利（William Dobelle）的生物醫學研究人員，在一名自願接受試驗的患者頭部安裝了人工視覺系統。
令人遺憾的是，在多貝利開啟系統不久後，患者發生痙攣並倒在地上。事後查明的原因是，電流過高，對大腦的刺激過強，超出了正常範圍。這名患者也受到感染。

但多貝利聲稱其系統已接近可以日常使用的水平，併發布了一段視頻，內容為一名失明患者在一個封閉的停車場內駕駛着車輛慢慢行駛。多貝利 2004 年過世，他的人工視覺系統也煙消雲散。

與多貝利相比，費爾南德斯要保守得多，他幾乎總是説，「我們希望開發出可以供人使用的人工視覺系統，但目前我們只是在進行早期試驗。」

但戈麥斯的確曾重見光明。

釘床

如果説戈麥斯能恢復視力背後的原理——將相機產生的視頻信號傳輸給大腦——相當簡單，但細節要複雜得多。

費爾南德斯及其團隊首先需要解決相機問題，其中一個首要問題是，人類視網膜會生成什麼樣的信號？為搞清楚這一問題，費爾南德斯從剛剛死去的人眼睛中取出視網膜，把視網膜與電極相連，並暴露在光線下，了解電極的信號。
他的團隊還利用人工智能技術，將視網膜輸出的電信號與簡單的視覺輸入匹配。這有助於他們編寫軟件，自動模擬這一過程。

實驗的下一步，是將電信號傳輸給大腦。在費爾南德斯為戈麥斯研製的人工視覺系統中，一根電纜與多通道神經電極（尺寸略小於 AAA 電池凸起的正極）相連。

多通道神經電極上有 100 個微型電極——每個長約 1 毫米，它們看起來就像是一個微型的釘床。每個電極可以向 1-4 個神經元傳輸電流。在患者頭部植入多通道神經電極時，電極會穿過大腦表面。


▲ 多通道神經電極有 100 個微型電極，看起來就像是一個微型釘子床
費爾南德斯必須一個電極一個電極地校準，逐步加大電流，直到戈麥斯產生光幻視。光幻視是指視網膜在受到機械刺激、電刺激等不恰當刺激時，瞬時產生的好像看到光線的感覺。費爾南德斯花了 1 個多月時間才完成全部 100 個電極的校準。

費爾南德斯説，「我們技術的優點是，多通道神經電極的電極穿進大腦，距離神經遠很近」，這使得只需遠低於多貝利系統的電流，人工視覺系統就能產生視覺，大大降低了患者發生痙攣的風險。

這一人工視覺系統的一大不足，以及戈麥斯試驗期限不能超過 6 個月的主要原因，是沒有人知道電極的正常使用壽命。費爾南德斯説，「人體免疫系統會開始攻擊電極，在電極周圍產生瘢痕組織——會削弱信號。」

電極彎曲也是一個需要解決的問題。根據動物實驗以及戈麥斯試用的多通道神經電極判斷，他認為當前的系統可以正常使用 2-3 年，甚至長達 10 年。

費爾南德斯希望，經過優化後多通道神經電極使用壽命可以延長到數十年。對於要求通過腦部手術才能使用的醫療設備來説，使用壽命是重要的先決條件。
最終，像人工耳蝸一樣，人工視覺系統要真正普及，就需要通過無線方式向電極傳輸信號和電能。但目前，費爾南德斯的系統還需要使用有線連接，未來還需要許多次迭代才可能最終定型。

如果分辨率為 10 X 10 像素——戈麥斯試用的系統的最大分辨率，人可能感受到基本的形狀，例如字母、門框和人行道，但對於感受臉部輪廓來説，這樣的分辨率是遠遠不夠的，更不用説人了。這也是費爾南德斯為其系統配備圖形識別軟件的原因，圖形識別軟件的助力，使戈麥斯能在房間內看到人。

費爾南德斯在一個 PPT 中寫道，分辨率達到 25 X 25 像素後，患者恢復「視力是可能的」。他説，由於當前的多通道神經電極尺寸非常小，而且只需要很少的電流，在大腦每側安裝 4-6 個不存在技術障礙，這樣就可以提供 60 X 60 像素，甚至更高的分辨率。但一個問題是，目前還沒有搞清楚大腦可以從多通道神經電極接受多少信號，而不致於過載。

使用人工視覺系統啥感覺


▲ 費爾南德斯和他指導的研究生，將一款原型相機與計算機相連

戈麥斯表示，如果可能的話，她會一直使用費爾南德斯的人工視覺系統。有新的版本出來後，她將首先申請試用。費爾南德斯完成分析後，戈麥斯計劃將她試用的多通道神經電極掛在客廳牆上，留作紀念。

在費爾南德斯的實驗室，他給了我一個機會，試用他用來給患者做檢查的無創設備。

我坐在戈麥斯去年曾坐過的真皮椅子上，一名神經科醫師手拿一根「魔杖」，兩個圓環貼在我頭部兩側。被稱作蝴蝶線圈的這一設備，連接到一個盒子，可以通過電磁脈衝刺激神經元——這種現象被稱作經顱磁刺激。

第一次刺激，讓我感覺到好像有人在敲頭皮，手指不由自主地完全曲起來。費爾南德斯説，「有反應了，刺激的是你的運動皮質。現在我們將嘗試讓你感到到光幻視。」

神經科醫師調整了「魔杖」位置，並調高了脈衝頻率。當她開機後，我的感覺相當強烈，好像有人把我的後腦門當作門環。
雖然我睜着眼，但還是出現了幻視：一條明亮的水平線劃過我的視野的中心，以及兩個閃爍的三角形（內部像沒有信號時電視屏幕上的雪花）。這些幻視可謂來也匆匆，去也匆匆，只停留了很短時間。

費爾南德斯説，「這跟戈麥斯的情況很相像。」我和戈麥斯之間的區別是，她看到的是外部世界，而我看到的只是由大腦受到電磁脈衝刺激產生的幻視。


資料來源：愛範兒（ifanr）