大脑植入物的下一个前沿领域是人工视觉

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布莱恩·布萨德（Brian Bussard）的大脑中有25个微小的芯片。它们于 2022 年 2 月安装，作为一项研究的一部分，该研究测试了一种旨在为盲人提供基本视力的无线设备。Bussard是第一个参与者。

现年56岁的布萨德在17岁时因视网膜脱落而失去左眼视力。2016年，右眼紧随其后，使他完全失明。“这是我经历过的最艰难的事情。”他说。最终，他学会了适应。

2021 年，他听说了芝加哥伊利诺伊理工学院的视觉假体试验。研究人员警告说，该设备是实验性的，他不应该指望其能够帮助恢复到以前的视力水平。尽管如此，他还是很感兴趣地报名了。多亏了大脑中的芯片，Bussard现在的人工视觉非常有限，他称之为“雷达屏幕上的闪光”。通过植入物，他可以感知以白色和彩虹色圆点表示的人和物体。

Bussard是世界上为数不多的盲人之一，他们冒着脑部手术的风险期望恢复视觉。在西班牙，米格尔·埃尔南德斯大学（Miguel Hernández University）的研究人员已经为四个人植入了类似的系统。这些试验是数十年研究的结晶。

工业界也对此感兴趣。总部位于加利福尼亚州的Cortigent正在开发Argus II 视网膜植入物，该植入物已被植入六名志愿者体内[1]。埃隆·马斯克（Elon Musk）的Neuralink也在研究一种用于视觉的大脑植入物。在三月份的一篇X帖子中，马斯克表示，Neuralink的设备名为Blindsight，“已经在猴子身上工作了”。他补充说：“分辨率一开始会很低，就像早期的任天堂图形一样，但最终可能会超过正常的人类视觉。

考虑到视觉是一个复杂的过程，完全恢复视力目前是不可能的。同时，提高通过大脑植入物看到的视觉质量仍有巨大的技术瓶颈。然而，即使产生基本的视力，也可以为盲人在日常生活中提供更大的独立性。

“这不是为了让生物视觉恢复，”伊利诺伊理工大学生物医学工程教授菲利普·特罗伊克（Philip Troyk）说，他正在领导Bussard的研究。“这是关于探索人工视觉可能是什么。

当光线照射到眼睛时，它首先穿过角膜和晶状体，即眼睛的外层和中间层。当光线到达眼睛后部（视网膜）时，称为光感受器的细胞将其转换为电信号。这些电信号通过视神经传播到大脑，大脑将这些信号解释为我们看到的图像。

如果没有完整的视网膜或视神经，眼睛就无法与大脑交流。许多完全失明的人就是这种情况。Troyk和Neuralink正在构建的设备类型完全绕过了眼睛和视神经，将信息直接发送到大脑。正因为如此，它们有可能解决任何失明原因，无论是由于眼病还是外伤。

处理从眼睛接收到的信息的特定大脑区域称为视觉皮层。它位于头部后部，便于植入。为了将这25块芯片放入Bussard的大脑中，外科医生进行了常规开颅手术，切除了他的一块头骨。

Bussard大脑中的芯片实际上是小型化的刺激器，可以发出温和的电流。一个芯片大约有铅笔橡皮擦那么大，包含16个微小的电极，每个电极都比人的头发还细。每个电极都可以单独控制。Bussard 总共有 400 个植入电极。“这就像你大脑中的手机网络，”Troyk说。

安装在一副眼镜上的摄像头捕捉了Bussard的周围环境。这些图像使用特殊软件进行处理，并转换为与芯片网络对话的命令，打开单个电极以刺激神经元。这种刺激会产生称为零星的视觉感知，看起来像光点——除了没有真正的光到达眼睛。

由于刺激器聚集在视觉皮层的一部分，Bussard只在视野的左下角看到亮点。但这足以提高他在房间里导航和执行基本任务的能力，例如在桌子上的四个不同物体中挑选一个盘子。

生成更好的图像是这些系统的主要挑战之一。“拥有的电极越多，理论上可以产生的信息就越多，形状就越复杂，”匹兹堡大学眼科助理教授Xing Chen说。

去年，Chen和她的同事发表了一项关于他们用1,024个电极创造的视觉假体的研究。当他们在猴子身上测试该系统时，它允许动物识别人工生成的字母。为了恢复人们的低视力，估计需要的电极数量在数百到数千之间。但Troyk认为，重要的不是电极的数量，而是它们的位置。将它们散布在视觉皮层上可以在更大的视野中产生更多的光点。不过，这可能意味着更具侵入性的手术。

在西班牙米格尔·埃尔南德斯大学（Miguel Hernández University）的研究中，志愿者接受了一个包含100个电极的植入装置。然而，根据 2021 年发表的结果，即使是这个系统能够使一名 60 岁的女性识别线条、形状和简单的字母。据领导这项研究的神经科学家爱德华多·费尔南德斯（Eduardo Fernández）称，研究人员已经在另外三名盲人志愿者身上复制了这一发现。

他强调，人工视觉“不像再看东西”。他的主要目标是改善盲人的定向和活动能力。在一项测试中，一名戴着假肢的男子能够在虚拟现实视频屏幕前的跑步机上行走时避开物体。未来，费尔南德斯希望添加更多的电极来增加亮点的数量，以产生更详细的图像。

目前，他的团队正在从该研究的四名初始志愿者那里学到很多东西。每个人的视觉皮层都略有不同，因此研究人员必须对植入电极的位置以及提供多少电刺激进行实验。“我们为每位志愿者定制刺激，”费尔南德斯说。

定制植入物以获得最佳性能是一项挑战。在产生人工视觉的早期实验中，研究人员使用放置在大脑表面的大型电极，这些电极需要相对较高的电流来产生信息。刺激有时会导致癫痫发作、疼痛和脑组织损伤。Chen说，在需要足够强的电流来诱导信息但不会引起不必要的副作用之间有一个平衡。

另一个障碍是大脑植入物的寿命。在匹兹堡和西班牙的研究中，研究人员使用了一种称为犹他阵列的刚性装置，这是一个由100个微小硅针组成的方形网格，每个针的尖端都有一个电极。犹他州阵列可以持续数月到数年，但当植入物周围形成疤痕组织并干扰其从附近神经元接收信号的能力时，可能会停止工作。伊利诺伊州团队的植入物看起来像微型发刷的头部，由氧化铱（一种金属）制成。

Neuralink和其他公司正在开发具有更小，更灵活的电极的设备，可以穿透大脑。例如，Neuralink的硬币形装置位于头骨中，细细的线状电极延伸到脑组织中。Chen说，较软的电极有可能延长植入物的寿命，但这些替代品将在大脑中持续多久还有待观察。

另一个悬而未决的问题是，一个人失明的持续时间是否会影响这些设备的工作情况。西班牙研究的第一位参与者已经失明了16年，但仍然能够看到粗糙的形状。布萨德已经完全失明六年了。

“我们确实知道，经过多年的失明，视觉系统开始退化，”陈说。“你越早干预越好，尽管这仍有待系统研究和证明。

在 2022 年 11 月的一次活动中，马斯克声称“即使有人从未有过视力，就像他们天生失明一样，我们相信我们仍然可以恢复视力。费尔南德斯不太确定，但他指出，以前从未尝试过恢复先天失明的视力。他说，从理论上讲，一个人需要有一个功能正常的视觉皮层。但是天生失明的人从未使用过大脑的那部分来处理视觉信息。

目前，Bussard仅限于在实验室中使用他的视觉假体，研究人员可以控制刺激。Troyk和他的同事们正在开发一个移动系统，以便未来的研究参与者可以在家中使用该设备。Troyk正在寻找更多的志愿者，他们在成年后失去了视力，但至少在生命的前10年中视力正常或接近正常。在西班牙的研究中，参与者被植入视觉假体六个月，然后作为试验方案的一部分将其移除。

Bussard说，他很想在实验室外使用这个设备。他有一只聋哑的狗，他开玩笑说，如果他能在家里使用假肢，找到他的狗会容易得多。但他知道，在他有生之年，他可能不会从这个设备中受益太多。“我不一定是为我做这件事，”他谈到自己参与其中时说。“我这样做是为了子孙后代。”

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编辑 | 罗虎

审核 | 医工学人

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