大脑植入100根电极：失明16年的患者重见光明

伯恩娜迪塔·戈麦斯（Bernardeta Gómez）一边用手指着面前白板上的一条黑线，一边操着西班牙当地口音说，“Allí”（西班牙语“那里”）。

对于一名57岁的女性来说，能看到这样一条画在白板上的黑线，真没有什么值得炫耀的，但对于失明16年的戈麦斯来说，这却是了不起的。

42岁时，视神经病变破坏了连接戈麦斯眼睛和大脑的神经，她也因此完全失明，甚至感受不到一点光线。

16年后，戈麦斯获得了一个机会，可以有6个月时间模模糊糊地看到周围的世界，虽然她看到的只不过是黄白色的点和图案。

让戈麦斯重见光明的是一副装备有微型相机的眼镜，视频经过一台计算机处理后转换成电信号。房顶上垂下的一根电缆，把信号经由植入颅骨中的一个端口，传导给植入在戈麦斯视觉皮质中的100根电极。

佩戴着装备有相机的眼镜的戈麦斯

借助这一系统，戈麦斯能看到吸顶灯、人和印在纸上的字母、基本图形，她甚至能玩一款简单的《吃豆人》类游戏。

戈麦斯在2018年底首次重见光明，这是位于西班牙埃尔切的米格尔·埃尔南德斯大学神经工程系主任爱德华多·费尔南德斯（Eduardo Fernandez）数十年研究的成果。

费尔南德斯为自己定下了一个目标：让全球尽可能多的失明患者恢复视力。资料显示，全球失明患者达到3600万。费尔南德斯的方法令人兴奋，因为它绕过了眼睛和视神经。

在使失明患者重见光明的早期研究中，大多数都尝试通过人工眼睛或视网膜，帮助他们恢复视力。这些研究也获得了一定成功。

但以戈麦斯为代表的绝大多数失明患者，都是连接视网膜和视觉皮质的神经受到损害，人造眼睛不足以让他们重见光明。这也是2015年Second Sight放弃20年的努力，将研究重点由视网膜转向视觉皮质的原因。

Second Sight于2011、2013年获得批准，在欧洲和美国销售一款人造视网膜。Second Sight称，逾350人在使用其Argus II人造视网膜。

在我（指原文作者鲁斯·贾斯卡莲（Russ Juskalian））最近一次造访埃尔切时，费尔南德斯告诉我，植入技术的进展，对人类视觉系统更精确的理解，使他获得了直接通过对大脑进行操作，让盲人重见光明的信心，“在神经系统中的信息，与在电子设备中的信息没什么两样”。

通过直接向大脑传输信号让失明患者重见光明听起来确实大胆，但数十年来，主流医疗设备一直都在利用其基本原理。

费尔南德斯解释说：“现在，大量电子设备都与人体交互，起搏器就是其中之一，传感器系统方面的一个代表是人工耳蜗。”

为戈麦斯植入人工视觉系统的费尔南德斯

人工耳蜗主要由两部分组成：处理系统对外部麦克风产生的信号进行处理，并将数字信号传输给内耳中的植入体，植入体的电极把电流传输给附近的神经，大脑对神经传来的信号进行处理，听觉障碍患者就能听到声音了。

人工耳蜗首次用来帮助听觉障碍患者听到声音是1961年，目前全球有逾五十万人在使用人工耳蜗。

费尔南德斯说，“戈麦斯是我们的第一位患者，但未来数年，我们将为5名失明患者植入这一系统。我们在动物中进行了类似实验，猫或猴子不能告诉我们它们看到了什么。”

但戈麦斯能。

作为实验对象，戈麦斯需要极大勇气。她需要通过脑部手术植入电极，半年后再取出来（因为这一技术尚未得到监管机构批准），万一出点问题，她就可能受到更大伤害。

痉挛和光幻视

戈麦斯是幸运的。在她之前，类似实验还是很曲折的。

早在1929年，一位名为奥特弗里德·弗里斯特（Otfrid Foerster）的德国神经科医生，在一次手术期间发现，在患者视觉皮质中插入一根电极，患者会看到一个白点。

此后，科学家和科幻作者脑洞大开，设想出各种人造视觉系统：信号传播路线为相机-计算机-大脑。部分研究人员甚至开发出初步的系统。

2000年代初期，这一假设成为现实，一位名为威廉·多贝利（William Dobelle）的生物医学研究人员，在一名自愿接受试验的患者头部安装了人工视觉系统。

令人遗憾的是，在多贝利开启系统不久后，患者发生痉挛并倒在地上。事后查明的原因是，电流过高，对大脑的刺激过强，超出了正常范围。这名患者也受到感染。

但多贝利声称其系统已接近可以日常使用的水平，并发布了一段视频，内容为一名失明患者在一个封闭的停车场内驾驶着车辆慢慢行驶。多贝利2004年过世，他的人工视觉系统也烟消云散。

与多贝利相比，费尔南德斯要保守得多，他几乎总是说，“我们希望开发出可以供人使用的人工视觉系统，但目前我们只是在进行早期试验。”

但戈麦斯的确曾重见光明。

戈麦斯大脑的电信号，每个格子代表一个电极，格子中弯弯曲曲的线条，显示的是来自神经元的信号

钉床

如果说戈麦斯能恢复视力背后的原理——将相机产生的视频信号传输给大脑——相当简单，但细节要复杂得多。

费尔南德斯及其团队首先需要解决相机问题，其中一个首要问题是，人类视网膜会生成什么样的信号？

为搞清楚这一问题，费尔南德斯从刚刚死去的人眼睛中取出视网膜，把视网膜与电极相连，并暴露在光线下，了解电极的信号。

他的团队还利用人工智能技术，将视网膜输出的电信号与简单的视觉输入匹配。这有助于他们编写软件，自动模拟这一过程。

实验的下一步，是将电信号传输给大脑。在费尔南德斯为戈麦斯研制的人工视觉系统中，一根电缆与多通道神经电极（尺寸略小于AAA电池凸起的正极）相连。

多通道神经电极上有100个微型电极——每个长约1毫米，它们看起来就像是一个微型的钉床。每个电极可以向1-4个神经元传输电流。在患者头部植入多通道神经电极时，电极会穿过大脑表面。

多通道神经电极有100个微型电极，看起来就像是一个微型钉子床

费尔南德斯必须一个电极一个电极地校准，逐步加大电流，直到戈麦斯产生光幻视。光幻视是指视网膜在受到机械刺激、电刺激等不恰当刺激时，瞬时产生的好像看到光线的感觉。费尔南德斯花了1个多月时间才完成全部100个电极的校准。

费尔南德斯说，“我们技术的优点是，多通道神经电极的电极穿进大脑，距离神经远很近”，这使得只需远低于多贝利系统的电流，人工视觉系统就能产生视觉，大大降低了患者发生痉挛的风险。

这一人工视觉系统的一大不足，以及戈麦斯试验期限不能超过6个月的主要原因，是没有人知道电极的正常使用寿命。费尔南德斯说，“人体免疫系统会开始攻击电极，在电极周围产生瘢痕组织——会削弱信号。”

电极弯曲也是一个需要解决的问题。根据动物实验以及戈麦斯试用的多通道神经电极判断，他认为当前的系统可以正常使用2-3年，甚至长达10年。

费尔南德斯希望，经过优化后多通道神经电极使用寿命可以延长到数十年。对于要求通过脑部手术才能使用的医疗设备来说，使用寿命是重要的先决条件。

最终，像人工耳蜗一样，人工视觉系统要真正普及，就需要通过无线方式向电极传输信号和电能。但目前，费尔南德斯的系统还需要使用有线连接，未来还需要许多次迭代才可能最终定型。

如果分辨率为10 X 10像素——戈麦斯试用的系统的最大分辨率，人可能感受到基本的形状，例如字母、门框和人行道，但对于感受脸部轮廓来说，这样的分辨率是远远不够的，更不用说人了。这也是费尔南德斯为其系统配备图形识别软件的原因，图形识别软件的助力，使戈麦斯能在房间内看到人。

费尔南德斯在一个PPT中写道，分辨率达到25 X 25像素后，患者恢复“视力是可能的”。

他说，由于当前的多通道神经电极尺寸非常小，而且只需要很少的电流，在大脑每侧安装4-6个不存在技术障碍，这样就可以提供60 X 60像素，甚至更高的分辨率。

但一个问题是，目前还没有搞清楚大脑可以从多通道神经电极接受多少信号，而不致于过载。

使用人工视觉系统啥感觉

费尔南德斯和他指导的研究生，将一款原型相机与计算机相连

戈麦斯表示，如果可能的话，她会一直使用费尔南德斯的人工视觉系统。有新的版本出来后，她将首先申请试用。费尔南德斯完成分析后，戈麦斯计划将她试用的多通道神经电极挂在客厅墙上，留作纪念。

在费尔南德斯的实验室，他给了我一个机会，试用他用来给患者做检查的无创设备。

我坐在戈麦斯去年曾坐过的真皮椅子上，一名神经科医师手拿一根“魔杖”，两个圆环贴在我头部两侧。被称作蝴蝶线圈的这一设备，连接到一个盒子，可以通过电磁脉冲刺激神经元——这种现象被称作经颅磁刺激。

第一次刺激，让我感觉到好像有人在敲头皮，手指不由自主地完全曲起来。费尔南德斯说，“有反应了，刺激的是你的运动皮质。现在我们将尝试让你感到到光幻视。”

神经科医师调整了“魔杖”位置，并调高了脉冲频率。当她开机后，我的感觉相当强烈，好像有人把我的后脑门当作门环。

虽然我睁着眼，但还是出现了幻视：一条明亮的水平线划过我的视野的中心，以及两个闪烁的三角形（内部像没有信号时电视屏幕上的雪花）。这些幻视可谓来也匆匆，去也匆匆，只停留了很短时间。

费尔南德斯说：“这跟戈麦斯的情况很相像。”我和戈麦斯之间的区别是，她看到的是外部世界，而我看到的只是由大脑受到电磁脉冲刺激产生的幻视。

参考资料：

https://www.technologyreview.com/s/615148/a-new-implant-for-blind-people-jacks-directly-into-the-brain/