讓盲人「看」到字符!科學家用動態電流刺激視覺皮層獲突破

deeptech深科技 發佈 2020-05-19T03:44:50+00:00

在其中一組實驗中,研究人員通過動態電流序列描繪向上或向下的畫線條的知覺,每個序列的刺激時間為 200 毫秒,隨後是 500 毫秒的響應窗口,在 30 次試驗序列中,參與者準確地識別了 26 種形式,正確率為 87%;

對於一個盲人來說,識字習文是十分困難的,他們一般都要學習特殊的盲文,盲文由不同組合的凸點組成,盲人通過觸摸認知理解字符的含義。

不過,未來這件事可能有所轉機,科學家們正在努力讓盲人在大腦里直接 「看」 到一些簡單的字符。

來自美國德克薩斯州休斯敦貝勒醫學院神經外科、加利福尼亞大學洛杉磯分校神經外科的研究團隊,在實驗中發明了一種新的策略,其中通過以動態順序刺激電極以在視覺皮層表面上追蹤形狀,盲人可以 「看」 到這些字母並快速識別和描繪出來,目前每分鐘最多可變換 86 種字符樣式。這些發現表明,盲人通過一些輔助手段也可以產生視覺形式的連貫感知,該項研究日前發表在 Cell 雜誌上。

大多數後天失明的殘障人士都只是眼睛或視覺神經受損,這也是大腦視覺皮層假體(VCP)的希望,該設備可以繞開眼睛和視覺神經,將視覺信息直接傳輸到視覺皮層。長期以來,人們一直推動將視覺皮層假體作為恢復盲人有用視力的一種策略,前提是假定通過視覺皮層的電刺激產生的小光斑,其視覺感知能合併為視覺的連貫感知形式。

從 1960 年代開始,科學家就開始做相關研究,基於 VCP 設備的多個電極陣列的電流刺激,大腦視覺皮層可以讓人在閉眼或者無光線的狀態下 「看」 到一些特殊的光點,這被稱為磷光體知覺。

早期的科學家們有個基本假設,如果刺激視覺皮層上的多個點位就會出現多個光點的話,那它們 「自動合併」 就能形成可理解的圖像形式,就像在計算機螢幕上多個像素點聚合在一起就展現出一張圖像一樣。但實際情況是,大腦神經遠比計算機顯示器複雜的多,且人類目前尚未完全理解和掌握大腦成像的原因,這種假設目前也很難被證明,很多磷光體知覺光點難以組合成一個預想形式。

為了克服這種障礙,貝勒醫學院和加利福尼亞大學洛杉磯分校的研究人員提出了一種動態激活系列電極的新方法,這個原理類似於我們在一個人手心上不斷描繪一個字母「Z」,那這個人即便閉著眼也能很快感知到這個字符的形狀是「Z」,同理,現有的 VCP 最高已包含數十個電極,通過把字母轉換成一個特殊的動態電流序列,讓盲人在大腦中感知到。

現有 VCP 中使用的電刺激範例與多探針方法,可以一次刺激多個電極,或者在時間上間隔刺激一次,但試驗結果仍是感知不連貫。

研究人員認為,電極之間不連續的位置,需要額外的 「加工」 來讓連續軌跡在視覺皮層中的產生,因此團隊採用了一種電流導向技術來實現連續軌跡控制:如果電流流過兩個相鄰的電極,則會在它們中間創建一個虛擬電極,改變傳送到相鄰電極的電流量,可以使虛擬電極沿著兩個物理電極之間的線段定位在不同位置。

結果顯示,在盲人參與者中,受到這種動態電流序列刺激後,參與者能夠輕鬆地在觸摸屏上重現每個字母,並且感知到的字母的形狀和實際形狀之間存在驚人的匹配度。在其中一組 28 個字符測試中,23 個字符被盲人正確描繪出來,正確率達 82%,另一組測試中參與者正確識別出 40 種字符中的 37 種,正確率高達 93%,研究人員認為,不同刺激序列產生的感知差異對最終準確度的影響很直接。

此外,識別正確率還跟刺激率有莫大的關係。在其中一組實驗中,研究人員通過動態電流序列描繪向上或向下的畫線條的知覺,每個序列的刺激時間為 200 毫秒,隨後是 500 毫秒的響應窗口,在 30 次試驗序列中,參與者準確地識別了 26 種形式,正確率為 87%;另外一組實驗中,用動態電流刺激產生 「U」 或「C」的字母形狀,刺激時間為 700 毫秒,隨後是 1300 毫秒的響應窗口,在 36 項試驗的序列中,盲人正確鑑定出 33 種形式,正確率為 92%。

研究人員展望,在動態電流刺激的情況下,只需更改刺激相同電極的順序即可讓盲人感知多種字符形式,參與者能夠可靠地繪製、區分這些字符,以此類推,未來也可以使用相同的原理來跟蹤其他常見對象的輪廓,例如面部、身體、房屋、汽車、桌子或椅子等,結合現代的機器視覺算法,可以快速識別視覺場景中的物體,通過使用動態刺激為盲人提供周圍環境中重要物體的快速輪廓或提供導航提示。

這項研究僅使用了幾十個電極就實現了初步的效果,而更大膽的預測是將來的視覺修復設備可能會包含「數千個電極」,這些電極可以設計成穿透皮層,使電極頭更靠近位於皮層表面以下數百微米的神經元,進行更精確的成像。

不過,專家也表示,目前進入大腦的電極會造成大腦損害,並且無法長時間工作,從根本上說,我們需要理解的一件事是,失明不是威脅生命的疾病,因此需要用足夠的利益平衡來評判更進一步的風險,還有一點很重要,就是除了優化這些物理電極及其操作方式之外,科學家們還必須開發可靠的軟體,以幫助盲人過濾和處理真實環境中的視覺信息,需要打造一個完整的系統使盲人可以實際應用起來。

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