一種新型視覺假體

本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，反映了作者的觀點，不一定反映《大眾科學》的觀點

在正常視覺中，光線落在眼睛內部的視網膜上，並立即轉化為電化學訊號，然後透過視神經上傳到大腦。因此，你看到的不是光線本身，而是大腦對大腦視覺部分電化學訊號的解釋。由此可見，如果你的眼睛不能工作，但你的大腦恰到好處地受到刺激，你的視覺神經元就會像你的眼睛處於完美狀態時一樣被啟用（你就能看到東西）。

聽起來很容易，但我們能做到嗎？基於視覺神經科學領域數十年的研究，我的實驗室與蘇珊娜·馬丁內斯-康德的實驗室合作，現在已經進行了一些研究來驗證這個想法，完成了朝著新型視覺假體邁出的最重要初步步驟。 

美國國立衛生研究院院長弗朗西斯·柯林斯剛剛發表了一篇部落格文章，重點介紹了我們的方法。 當我們今年在BRAIN Initiative（腦計劃）首席研究員會議上首次展示我們的工作時，他注意到了我們的工作。BRAIN Initiative是由美國國立衛生研究院領導的政府資助計劃，旨在推動腦植入體等主題的研究。BRAIN Initiative資助了包括美國國立衛生研究院在內的多個機構，包括國家科學基金會，該基金會慷慨地資助了我們迄今為止的研究。

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我們的出發點是，視覺從根本上來說是一個縮圖。即使你 99.9% 的視網膜工作正常，但你視野中心 1/1000^th 的部分壞了，你也會被法律上認定為盲人。視野中心 0.1% 的大小大約相當於手臂伸直時拇指指甲的大小。由於視網膜中心 0.1% 是視覺黃金點，因此是視覺魔力發生的地方。事實上，視網膜剩餘 99.9% 的主要工作是幫助你檢測下一步眼睛應該移動到哪裡。這意味著我們需要恢復盲人的中心視力，否則我們就不是真正恢復了功能性視力。

此外，我們還需要實現與正常視力相同的清晰度的假體視覺，否則患者仍然會視力受損。多好才算足夠好？答案就在星星中。在晴朗的夜晚走到戶外，抬頭看看天空中的星星。這似乎違反直覺，但天空中最大和最小的星星實際上從你的視網膜光感受器的角度來看大小相同。由於所有星星都離我們非常遙遠，因此從每顆星星到達地球並落在你的視網膜上的光線所覆蓋的面積小於單個光感受器的面積。但是，由於大氣（尤其是你的眼睛）中的散射，較亮的星星會啟用更多的光感受器，因此看起來比較暗的星星更大。因此，天空中最暗的星星是你可能看到的最小的東西。如果我們能夠假體地恢復看到這種大小物體的視力，那麼我們就可以恢復看到世界上任何物體的視力——這對許多患者來說將是改變人生的，並且值得冒腦部手術的風險。

我們最近的研究表明，有可能以足夠的精度刺激視覺大腦的特定點，從而假體地喚起天空中一顆單一的星星，具有最大的對比度，而不會刺激不需要的神經元。這就是刺激大腦——恰到好處——並恢復視覺構建塊的意義所在。

我們的專案主要有兩個步驟

首先，為了以突觸精度刺激視覺處理的階段，就像自然視覺系統所做的那樣，我們需要一種以假體方式啟用視覺系統神經元的方法。我們透過將定製病毒注射到大腦中心視神經首次連線的區域來實現這一點。該病毒將基因注入這些細胞，並將它們變成光感受器：現在它們可以被光激發。由於這些神經元一直延伸到大腦後部的視覺皮層，並且由於它們以與視覺世界相匹配的地圖排列，我們可以使用影片投影儀精確地刺激它們的突觸連線，以重現它們對真實傳入視覺輸入的反應方式。然後，我們瞄準中心視覺神經元，最終恢復視力。這就是我們計劃中的視覺假體的本質。

其次，在不監測刺激效果的情況下刺激神經元是不夠的。我們還需要即時讀取刺激的效果，以根據神經元放電固有的變異性進行功率調整。恢復視力意味著要考慮使視覺系統始終保持校準狀態的調節機制。

為了實現這一目標，我們將注射更多的病毒，這次是在視覺皮層中，使這些神經元具有生物發光性，以便它們在活躍時閃爍。透過使用許多不同顏色的生物發光蛋白質，神經元將具有各種不同的顏色，這意味著我們將能夠使用彩色相機讀取它們的活動——就像你手機上的微型相機一樣。

第三，我們將需要構建一個可以植入大腦的影片投影儀/彩色相機。這是一項相對簡單的工程任務，與設計智慧手機相當或更簡單。未來幾年將揭示我們是否可以利用這些進步，從理解假體視覺的基本構建模組到製造功能齊全的高質量視覺假體。我們將隨時向您通報我們的進展。