编者按:往大脑中植入电子设备已经不再是科幻情节,各项技术和案例渐渐来到了现实,而人工视觉,就是大脑植入物的下一个方向。

不光马斯克的脑机接口公司 Neuralink,世界各地的研究所和公司都在进行相关的实验,通过大脑植入物,为视障人士提供视觉。

这些技术都很类似:跳过眼球和视神经,直接通过电极向大脑发射视觉信号。

虽然目前这项技术还在早期阶段,视觉成像质量还比较粗糙,但无疑还是为视障人士群体带去了「光明」。

以下是编译后的内容:

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▲ Berna Gomez,西班牙埃尔切米盖尔 · 埃尔南德斯大学视觉设备研究的一位志愿者

跳过眼睛,重现光明

Brian Bussard 的大脑中有 25 个微小的芯片。

这些芯片于 2022 年 2 月安装,是一套为失明人士提供基本视力的无线设备,Bussard 是这些设备测试的首位参与者。

56 岁的 Bussard 在 17 岁时因视网膜脱落失去了左眼视力,2016 年也因失去右眼视力而完全失明,「这是我经历过最艰难的事情」,他说,最终他适应了如何在黑暗中生存。

2021 年,Bussard 听说了芝加哥伊利诺伊理工学院的视觉假体实验。研究人员警告他说,该设备是实验性的,视觉能力也不太可能恢复到以前的水平。

尽管如此,Bussard 还是选择了报名。现在 Bussard 靠这 25 个小芯片,获得了非常有限的视力,通过白色和彩虹色圆点来感知外界的人和物体,他形容:

就像雷达屏幕上的闪光。

▲Brian Bussard

Bussard 是世界上为数不多冒着脑部手术的风险获得视觉假体的视障人士。类似的实验也在西班牙的埃尔切米盖尔 · 埃尔南德斯大学进行,这所大学的研究人员为四个人植入了类似的系统。

要理解这些电子设备如何为视障人士带去光明,需要先理解眼球成像的原理。

当光线进入眼球时,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的视网膜时,被称为光感受器的细胞将其转换为电信号,再通过视神经传播到大脑,大脑就将这些电信号解析为看到的图像。

大部分视障发生的原因,都是视网膜或视神经的损坏,导致眼睛无法与大脑正常交流。

而植入物的原理,正是完全绕过眼睛和视神经,将信息直接发送给大脑,因此理论上说,通过植入物有可能解决任何失明的原因,无论是眼病还是外伤。

负责与眼睛交流,处理眼球发送信息的特定大脑区域称为视觉皮层,位于头部后部,为植入电子设备提供了便利。

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▲ 伊利诺伊州理工学院实验团队发布的原理图

为了将 25 块芯片植入 Bussard 的大脑,外科医生进行了常规的开颅手术,切去了他的一块头骨。

这 25 块芯片实际上是小型化的刺激器,可以发出温和的电流,每个芯片的大小约等于一个铅笔橡皮擦,包含 16 个比头发丝还细的微小电极,每个电极都可以单独控制,Bussard 脑中一共有 400 个植入的电极。

而一副安装在眼镜上的摄像头将会为 Bussard 捕捉周围的环境,捕捉的图像将使用特殊软件进行处理,转化为与植入芯片网络通信的命令,从而启动特定的电极来刺激神经元。

通过这种刺激,神经元会产生一种被称为「光幻视」(phosphenes)的视觉感知,看起来像光点。而在这个过程中,光线从来没有真正到达过眼睛。

由于这些电极只聚集在视觉皮层的一个区域,因此 Bussard 只能在视野范围的左下角看见「光幻视」。虽然整体效果和完全的恢复视觉还相去甚远,但这些「光幻视」已经足够提高 Bussard 在房间里导航和执行基本任务的能力,他现在可以从放在桌上的四个物体中挑出一个盘子。

在埃尔切米盖尔 · 埃尔南德斯大学的研究中,实验者只安装了包含 100 个电极的植入装置,而实验的领导者 Eduardo Fernández 表示,四名志愿者都能够识别线条、形状和简单的字母。

Fernández 表示,比起「视觉恢复」,这项技术目前的目标是改善视障人士的定向和活动能力。他指出,一名志愿者已经能够在 VR 屏幕跑步机中避开障碍物。

因此,Fernández 希望在未来能够添加更多的电极,增加光幻视的数量,形成更详细的图像。

匹兹堡大学眼科助理教授 Xing Chen 也赞同这个观点,她认为,如果要恢复视力,将需要植入数百到数千个电极。

而 Bussard 实验的领导者 Philip Troyk 认为,重要的不是电极数量,而是电极植入的位置,在视觉皮层上更分布式地植入电极会产生更多的光点,不过,这意味着更深入的手术。

信心满满的马斯克

马斯克在上个月也宣布,其旗下的脑机接口公司 Neuralink 下一步计划是「Blindsight」产品的开发,据悉,这款产品和 Bussard 正在使用的方案类似,完全绕过眼睛和视神经,直接向大脑发送视觉信息。

马斯克对 Blindsight 很有信心。三月份,马斯克在 X 上表示,Blindsight 已经在猴子上运行了(他补充,没有一只猴子在这个过程中死亡或重伤)。

他还表示,虽然在目前的早期阶段,生成的视觉分辨率会很低,但最终可能会超过正常的人类视觉。

在更早之前的 2022 年 11 月,马斯克也曾声称,即使是先天失明、从未有过视力之人,他们也有信心可以让他恢复视力。

除了马斯克,也有不少市场上的公司在研发类似的设备。总部在美国加州的 Cortigent 就在研究一个名为 Orion 的类似大脑植入设备,已经用于六名视障人士。

▲ Cortigent 与 Orion 设备

光明之路道阻且长

对于目前的技术和研究水平而言,这项技术还处在非常早期的阶段,还有大量的挑战需要面对。

第一个挑战就是,植入物需要根据每位植入者进行定制。每个人的视觉皮层都略有不同,因此电极植入的位置、产生多大的电流都需要进行实验和定制。

由于要对大脑进行电击,实验人员对电流的大小非常谨慎。如果电流太大,很容易产生癫痫发作、疼痛和脑组织损伤的副作用,如果电流太小,也不能取得理想的成像效果。

另一个障碍是植入设备的使用寿命。匹兹堡和西班牙的实验中,研究人员使用了一种由 100 个微小硅针组成的方形网格,每根针的尖端都有一个电极。

这个方案可以持续数月到数年,但一旦植入物周围形成疤痕组织,并干扰这个设备从附近的神经元接收信号时,这个设备可能会停止工作。

而 Neuralink 正在开发更小、更灵活的电极,可以穿透大脑。Neralink 目前的装置将会置于头骨中,通过细细的线状电极延伸到脑组织中。

Chen 对这种想法表示认可,认为较软的电极有可能延长植入物的寿命,但实际如何还有待观察。

而失明的持续时间是否会影响这些设备的工作情况也值得讨论。西班牙研究的其中一位参与者失明了 16 年,而 Bussard 完全失明 6 年。

Chen 认为,越早干预越好,因为经过多年的失明,视觉系统会退化,不过还是需要系统研究和证明。

而对于马斯克为先天失明人士恢复视力的言论,西班牙的 Fernández 不太确定是否可能,因为这从未试验过。而且从理论上讲,先天失明的人从未使用过大脑的视觉皮层处理视觉信息,而一个正常的视觉皮层是目前这些植入物正常工作的重要前提。

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▲伊利诺伊理工学院的团队在对设备进行实验

目前而言,Bussard 只能在实验室中使用视觉植入物,因为研究人员可以控制刺激,不过研究人员也正在开发移动系统让未来的参与者可以在家中使用。

而在西班牙的研究中,参与者只会植入这些设备六个月,而后将会被移除。

目前这项技术还处在非常早期的阶段,距离「恢复视力」还有很长的距离,不过 Bussard 实验的 Troyk 和马斯克都认为,这种实验的目的不仅仅是「恢复视力」,更是去探究人工视觉的可能性。

Bussard 知道自己在有生之年无法从这个实验中受益太多,但他说:

我这样做是为了子孙后代。

原文地址:https://www.wired.com/story/the-next-frontier-for-brain-implants-is-artificial-vision-neuralink-elon-musk/

原文作者:Emily Mullin