Cell | 新方法有望帮助盲人恢复视觉

大多数后天失明的患者，只是眼睛或视神经受损，由此，人们开发出一种绕过眼睛和视神经的视觉皮层假体（visual cortical prosthetic，VCP) 装置，它可以直接将来自摄像机的视觉信息传输到视觉皮层。VCP基于的理论是视觉皮层带上电流，就能产生一种微小的闪光现象。人们猜测这种闪光类似于计算机显示器上的像素，当它们结合在一起时就会产生连贯的图像。在早期测试VCP时，当刺激多个电极时，只能感知多个孤立存在的闪光现象，并不能结合成连贯的图像。2018年，来自美国贝勒医学院的Daniel Yoshor教授和William H.Bosking教授团队在进行癫痫术前评估时，给视力正常的受试者体内植入颅内电极后也发现了同样的问题。2020年5月14日，Yoshor教授与Bosking教授团队继续合作在Cell杂志上发表题为 Dynamic Stimulation of Visual Cortex Produces Form Vision in Sighted and Blind Humans 的研究论文，开发了一种新型替代方法来克服上述问题：通过动态激活一系列电极从而在视觉皮层表面描绘出连贯的图形形状。现有的VCP中使用类似于多探针的电刺激模式：一次同时刺激多个电极或者时间上仅有微小偏差，导致不连贯的感知信息(图1C)。该团队应用的新模式是通过动态化的方式刺激电极，在皮层表面形成想要感知的字母“Z” (图1D)。其实，这跟在手掌上画字一样。如果仅是在手掌上按多个点很难去把它想成一个连贯的形状 (图1A)，而动态移动一个按压点，却可以让我们感知到是“Z”这个形状 (图1B)。感知动态刺激的这些电极位于离散的位置，并且需要额外的技术方式来将这些动态刺激转化成能够连续刺激大脑皮层的轨迹。这项技术被称为电流引导：如果电流流过两个相邻的电极，则会在它们之间产生一个虚拟电极。通过改变传递到相邻电极之间的电流量，可以沿着这两个电极之间的线段将虚拟电极定位到不同位置。在该团队的研究中，他们将电极植入一位盲人靠近距状沟的枕叶内侧壁上，即初级视觉皮层位置。然后将包含60Hz的100毫秒电脉冲传送到两个附近的电极上，产生五种不同的传输到每个电极的电流量水平。在第一刺激水平下，100毫秒的脉冲序列和3.6mA的基础电流被传送的靠近前端的电极F01，而没有电流传输到电极F03（记录F01:100%，F03:0%），在此过程中参与者03-281报告了位于视野右上方的单个闪光，并记录下其在触摸屏上的位置。重复十次实验后，取平均位置为方位角13.3，仰角2.1处 (中心位置:13.3,2.1)，分散度 (1.0，0.5)。在第五刺激水平下，4mA电流被传送到靠后端的电极F03，而没有电流传输到电极F01 (记录F01:0%，F03:100%)；中心位置:5.4，2.2；分散度: 0.9，0.6。与已知的视觉皮层视黄醛色素组织一致，F03比F01闪现的位置更靠近中心。而在中间水平电流刺激条件下，电流以不同比例传递到两个电极，目的在于利用电流引导技术在两个物理电极之间创造出虚拟电极。在第二刺激水平，F01:80%, F03:50%；中心位置:11.4，2.1；分散度: 0.5，0.3。在第三刺激水平，F01:70%，F03:70%；中心位置:9.8，2.1；分散度: 0.4，0.3；在第四刺激水平，F01:50%，F03:80%；中心位置:8.0，2.2；分散度: 0.5，0.3。沿着大脑舌回部前后的五个电极位置进行120Hz脉冲电流先增后降的电流刺激，可以产生沿着脑回部从前向后移动的虚拟电极。受试者表示有八成（最高为十成）的感觉是如图2所示的一条线。当研究人员发现使用动态刺激可以在视力情况正常的受试者体内创建字母感知之后，他们将五个电极植入盲人受试者的视皮层内壁，分别刺激每个电极之后，每个电极产生一种离散的闪光。通过追踪每个电极闪光的图谱，七种不同的动态刺激序列会产生与之相对应的七种字母样的形状。研究者通过关联并进行多维缩放和k均值聚类，将每一种动态刺激相对应的那种字母形状进行量化处理。只需要改变刺激盲人受试者体内电极的顺序即可感知多种字母形状，并可靠绘制和区分这些字母形状。动态电流刺激与以往的电流刺激视觉感知研究最大的不同之处在于，一系列的电流刺激与传递给受试者的感知形状有关，而不遵循固定的顺序。按照以往的方式一次刺激多个电极，生成的闪光之间会产生相互作用，经常会聚集成一个无法被识别形状的闪光。而动态刺激电流可以避免此类情况的产生，从而提高了可生成图案的有效空间分辨率。将动态刺激电流和动态电流控制与新兴高密度电极网络电刺激等手段结合，可以帮助盲人恢复有用的视觉功能，并在其他VCP应用中更有效的进行信息转换。原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.04.033
（责任编辑：tqh）