科學家發明大腦植入物,可以讓盲人重見光明

科學家發明大腦植入物,可以讓盲人重見光明

讓盲人重見光明一直是很多人的希望,對此科學家也付出了很多的努力。在本文中,一名因為車禍失去視力的患者接受了一項視覺恢復的實驗,這是一種大腦植入物,能幫助後天致盲的人獲得有限的視力。目前來說,這項技術還很不成熟,僅僅處於實驗階段,而且安全性未知。

科學家發明大腦植入物,可以讓盲人重見光明

2011年12月,一場可怕的車禍將傑森·艾斯特豪森撞暈。當他在南非比勒陀利亞的一家醫院醒來時,他已經看不見了。這場車禍毀掉了他的眼睛,使他完全失明。

艾斯特豪森崩潰了。當時,他23歲,正在學習成為一名飛行員。事故發生後的頭兩年是最艱難的。「生活瞬息萬變,」他告訴記者。「我曾經開過飛機,騎過摩托車,開過自己的車。但現在什麼都沒有了。」

艾斯特海森最終接受了運動康復,並且學會瞭如何閱讀盲文,使用輔助設備,並在電腦上工作。2013年,他收看了一個電視新聞片段,內容是一家公司正在研究一種大腦植入物,可以為像他這樣的人製造人工視覺。總部位於加州錫爾馬的「第二視覺」公司剛剛在美國獲得了一項視網膜植入手術的批准,該手術旨在幫助那些因一種罕見的遺傳性疾病——色素性視網膜炎而失明的患者。艾斯特海森不是那種裝置的候選人。但到2018年,該公司已經開發出一種可以改變他生活的大腦植入物。

現在,這個公司有一個小型臨床試驗,艾斯特海森是接受這項實驗的6名盲人患者之一,這項實驗中所用到的設備叫獵戶座(Orion)。它的目的是為那些因多種原因失明的人提供人工視力,包括青光眼、糖尿病視網膜病變、視神經損傷或疾病以及眼睛損傷。如果這種方法能起效果,並且能夠被被證明是安全的,那麼它和其他大腦植入物可能會幫助更多的盲人。

當艾斯特海森在2018年初得知他是該試驗的候選人時,他和他的妻子離開了他們在南非的家,搬到了洛杉磯參加這項研究。他說,這個裝置讓他七年來第一次感覺到了生活的希望。

從外面看,獵戶座看起來就像一副太陽鏡,附帶一個小攝影鏡頭和視訊處理單元(VPU)。然而,在大腦中植入的是一個大約郵票大小的晶片,包含60個電極,位於大腦處理視覺訊息的視覺皮層。當設備被打開時,攝影機捕捉穿戴設備的人的周圍環境,無線視訊處理單元使用一種演算法將這些圖像轉換成電脈衝。這些脈衝被傳輸到大腦的電極上,電極會把這些脈衝轉換成相應的視覺訊號。

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大腦植入這項技術讓獵戶座有別於「阿爾戈斯」(Argus)和市場上其他所謂的「仿生眼」。「仿生眼」設備不需要進行腦部手術。那些設備僅僅需要把電極植入到患者眼睛後面的視網膜上。而且這些視網膜植入物要求患者的眼睛裡需要存留一些功能細胞,這就是為什麼視網膜植入物目前只被批准用於視網膜色素變性患者的原因。在340萬失明或視力受損的美國人中,視網膜色素變性患者只佔其中的一小部分。

「根據我們目前正在測試的系統,你甚至不需要有眼睛就可以讓設備工作。」

色素性視網膜炎會導致感光細胞逐漸死亡,導致視力下降。但是另一種被稱為神經節的視覺細胞,它們能直接與大腦進行交流,這些細胞仍然保持完整。視網膜植入物,如「阿爾戈斯」和法國的「皮可斯視覺」(Pixium Vision)公司和德國的「視網膜植入」(Retina Implant)公司製造的視網膜植入物,旨在刺激這些細胞,它們沿著視覺神經將視覺訊息傳遞到大腦。全世界大約有350名視網膜色素變性患者接受了「阿爾戈斯」設備。

但是,與「阿爾戈斯」共享大部分技術的「獵戶座」完全繞過了眼睛和視覺神經。加州大學洛杉磯分校隆納·雷根醫療中心的神經外科醫生納德·波拉提安(Nader Pouratian)說:「根據我們目前正在測試的系統,你甚至不需要眼睛就能讓設備工作。」作為加州大學洛杉磯分校這項試驗的主要研究者,他已經為四名患者配備了這種裝置。另外兩名研究參與者接受了來自德克薩斯州休斯頓貝勒醫學院的丹尼爾·約尚爾博士的植入物。

儘管有感染或出血的風險,也有植入物不能起作用的可能性,艾斯特海森還是毫不猶豫地接受了腦部手術。

當研究人員在手術後第一次開啟植入物時,他們需要測試每一個電極,一共有60個。記錄在患者開始看到光之前,每個電極需要接收多少電流。他們利用這些訊息為每個病人定制了一個程序,這個過程耗時數月。

現在,艾斯特海森和其他參與者在完全失明數年或數十年後,恢復了有限的視力。雖然他們看不見顏色、形狀或清晰的邊緣,也不能閱讀文本,但他們能夠區分明暗,能夠辨識移動的物體,而且他們有一定程度的深度知覺。人和物體以光點的形式出現,與它們所在的位置相對應,當它們靠得越來越近,就會出現更多的光點。「這就像學習一門新的語言。」艾斯特海森說,「你要學習如何解釋正在發生的事情。」

患者定期與加州大學洛杉磯分校(UCLA)和貝勒大學(Baylor)的視力研究人員見面,測試該設備並學習如何使用。在一個練習中,他們面對著一個黑色的電腦螢幕,在黑色螢幕中會有隨機的白色方塊出現,他們需要指出白色方塊出現的位置。大多數時候,他們可以成功地指出白色方塊的位置。

這不是一種自然的視覺,但是波拉提安說,這種設備可以讓參與者完成他們以前無法完成的日常任務。他說:「不是說這個系統幫助他們變得完全獨立了,而是當你什麼都看不見時,能看到一點點東西就變會得非常有價值了。」

艾斯特海森說,他覺得現在獨自離開公寓更安全了,因為他現在可以看到汽車過來了。現在,他可以整理衣物,甚至在家裡找到一些特定的物品。

視覺始於眼睛,但大腦才是辨識和解釋圖像的地方,但是大腦處理視覺訊息的這個過程基本上還是個謎。科學家們知道大腦中能感知視野,而且視野中的每個位置都由大腦中一個獨特的位置來處理。但是他們還沒有找到確切的位置。這就是為什麼獵戶座和視網膜植入物目前只能創造有限的視覺範圍。

「與神經元相比,我們的電極要大得多,所以我們同時刺激了很多神經元,而大腦對所有這些刺激都進行了處理。」這項臨床實驗負責人、科學事務的副總裁傑西·多恩(Jessy Dorn)說。「我們的技術沒有精準地控制每個細胞。」

為了安全起見,艾斯特海森和其他病人接受的植入物只使用一個電極陣列來刺激左側大腦。因此,他們只能從右側視野中感知視覺線索。如果這個陣列被證明是安全的,那麼接下來這項實驗計劃在大腦的兩側都植入一個電極陣列。多恩表示,該公司還在研究改進技術的方法,以提高患者的分辨率和視力範圍。

該公司希望將植入的電極數量增加到150至200個。它正在改進它的攝影鏡頭和處理單元,增加包括熱量感知、臉部和物體辨識等功能。

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研究人員還試圖透過研究如何更好地模仿神經元群的放電來實現更自然的視覺。「眾所周知,我們可以刺激大腦來產生視覺感知,但是為了最大化視覺感知,我們還有很長的路要走。」波拉提安說。

明尼阿波利斯市視網膜中心(Retina Center in Minneapolis)主任、美國眼科學會(American Academy of Ophthalmology)臨床發言人阿比什·巴夫薩爾(Abdhish Bhavsar)博士表示,還需要進行更多的腦部測繪研究,為患者提供更大範圍的視覺感知。他說:「要理解刺激大腦在視覺方面的作用,我們還有很長的路要走。」「如果我們能繪製出一幅大腦地圖,顯示出具體是什麼部位產生了什麼類型的圖像,或者什麼部位感受到了什麼樣的訊息,那麼我們就可以據此開始製作相應的設備。」

獵戶座的早期結果是令人鼓舞的,但是用於視覺恢復的大腦植入物仍處於初級階段。安全性是一個主要問題。在獵戶座試驗中,一名患者在植入設備後發生了癲癇。接受這種植入的人需要隨訪數年,以確保以後不會出現並發症。隨著時間的推移,大腦中的電極也會形成疤痕組織,慢慢地就無法繼續工作了。所以目前還不清楚這些植入物能持續多久。第二視力公司的多恩說,獵戶座設備使用的電極至少可以工作五年。這意味著患者最終可能會失去他們通過該設備獲得的那一點點視力。

獵戶座的另一個主要限制是,它只對那些天生有視力,後來失去視力的人有用。天生失明的人,大腦中負責視覺的部分沒有完全發育,視覺訊息不能有效地傳遞到大腦。一種可以幫助所有盲人的設備還有很長的路要走。

如果美國食品藥品監督管理局(FDA)最終批准了獵戶座,也不是所有患者都願意接受這種腦部手術的。而且該設備也可能很昂貴。像「阿爾戈斯」這種視網膜植入物的成本就要大約15萬美元,儘管它在許多州都有醫保覆蓋。

艾斯特海森對視覺輔助技術的未來充滿了希望。他說:「目前這只是一小步。但我認為,這項技術最終將改變數百萬人的生活。」

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