配置10498根電極的人造視網(wǎng)膜！不用眼睛，靠光信號(hào)給盲人“視覺(jué)”? | Nature子刊

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舉報(bào) 2021-03-11

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大數(shù)據(jù)文摘作品
作者：Mickey

對(duì)于全球 4000 多萬(wàn)盲人來(lái)說(shuō)，重見(jiàn)光明曾經(jīng)是一個(gè)遙不可及的夢(mèng)想。通過(guò)植入物刺激視覺(jué)產(chǎn)生，是科學(xué)家最具挑戰(zhàn)的工作之一，而最近的幾項(xiàng)相關(guān)研究突破下，“人造視覺(jué)”正從科幻中呼之欲出。最新進(jìn)展來(lái)自洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）神經(jīng)工程學(xué)（LNE），該研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種配備了10,498個(gè)電極的視網(wǎng)膜植入物，可以將微型攝像頭捕獲的圖像轉(zhuǎn)化為光信號(hào)，進(jìn)而形成“視覺(jué)”。研究團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人Diego Ghezzi說(shuō)：“我們的系統(tǒng)旨在通過(guò)使用電極刺激其視網(wǎng)膜細(xì)胞，為盲人提供一種人造視覺(jué)?！?nbsp;該研究發(fā)表在最新的《自然》雜志子刊 Communication Materail上。

用光點(diǎn)給“大腦”發(fā)信號(hào)，繞過(guò)眼睛重新識(shí)別世界
自2015年以來(lái)，Diego Ghezzi一直和他的團(tuán)隊(duì)致力于開(kāi)發(fā)一種視網(wǎng)膜植入物，該植入物可與配備攝像頭的智能眼鏡和微型計(jì)算機(jī)一起使用。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，該系統(tǒng)擁有一個(gè)嵌入在智能眼鏡中的攝像頭，可以在佩戴者的視野中捕獲圖像，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到位于其中一個(gè)眼鏡頭中的微型計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)將信號(hào)傳輸?shù)揭暰W(wǎng)膜植入物中的1萬(wàn)多個(gè)電極，每個(gè)電極都可產(chǎn)生一個(gè)光點(diǎn)，進(jìn)而產(chǎn)生類(lèi)似“光信號(hào)”的圖像簡(jiǎn)化版本。實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖，以測(cè)量電壓散布，上圖顯示了光電轉(zhuǎn)換機(jī)理。然而，佩戴者看到的不是真實(shí)的外部世界，而是與我們的系統(tǒng)類(lèi)似的東西，佩戴者必須學(xué)會(huì)識(shí)別這些光點(diǎn)排列組合代表的形狀和物體。 Ghezzi說(shuō)?！熬拖窨粗箍罩械男切且粯?，佩戴者需要學(xué)會(huì)識(shí)別特定的星座?！?、即便如此，對(duì)于恢復(fù)與外界的視覺(jué)溝通，這也是一個(gè)巨大的進(jìn)展。視網(wǎng)膜植入物可以為盲人提供人工視覺(jué)
10,498個(gè)電極產(chǎn)生光點(diǎn)“像素”，提供更高“分辨率”的世界
對(duì)于眼部受損的失明患者來(lái)說(shuō)，視覺(jué)假體可以通過(guò)在視覺(jué)系統(tǒng)中的神經(jīng)元保存的電刺激提供人工視覺(jué)。多年研究中，已經(jīng)有若干人工植入物致力于解決這一問(wèn)題，包括視網(wǎng)膜，視神經(jīng)和皮質(zhì)植入物。通過(guò)電極植入物刺激大腦產(chǎn)生人工視覺(jué)感知的想法并不新鮮，最早可以追溯到 20 世紀(jì) 70 年代。然而，業(yè)內(nèi)一直存在一些難以攻克的問(wèn)題，讓相關(guān)系統(tǒng)無(wú)法大規(guī)模普及。要解釋其原因，文摘菌先要科普一下目前業(yè)內(nèi)普遍使用的用于測(cè)量視覺(jué)有效性的兩個(gè)參數(shù)：分辨率和視野。先說(shuō)分辨率，毋庸置疑，能否看清楚或者說(shuō)辨別出外界物體，是“人工視覺(jué)”長(zhǎng)期以來(lái)努力攻克的難題。正如上文所說(shuō)，人工視覺(jué)是通過(guò)不同的”光點(diǎn)“信號(hào)輪廓，獲取視覺(jué)信息，光點(diǎn)太少可以識(shí)別的外界信息有限，光點(diǎn)太多又很考驗(yàn)植入物的大小和精準(zhǔn)度。之前的植入系統(tǒng)一次只能生成少量的人工 “像素”，受試者也因此難以形成可以感知的有效信號(hào)。為了讓有效光信號(hào)盡可能可識(shí)別，Ghezzi團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的視網(wǎng)膜植入物包含10,498個(gè)電極，每個(gè)電極都可產(chǎn)生一個(gè)光點(diǎn)。 “我們不確定這是太多電極還是不足。我們必須找到正確的數(shù)字，以使復(fù)制的圖像不會(huì)太難辨認(rèn)。點(diǎn)必須相隔足夠遠(yuǎn)，以使患者能夠區(qū)分彼此靠近的兩個(gè)點(diǎn)，但是必須有足夠的點(diǎn)以提供足夠的圖像分辨率?！?Ghezzi說(shuō)。具有10,498個(gè)光伏像素的高密度POLYRETINA假體的圖片工程師還必須確保每個(gè)電極都能可靠地產(chǎn)生光點(diǎn)。Ghezzi解釋說(shuō)：“我們想確保兩個(gè)電極不會(huì)刺激視網(wǎng)膜的同一部分。因此，我們進(jìn)行了電生理測(cè)試，涉及記錄視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞的活性。結(jié)果證實(shí)，每個(gè)電極確實(shí)確實(shí)激活了視網(wǎng)膜的不同部分?！?nbsp;“下一步是檢查10,498個(gè)光點(diǎn)是否提供了足夠好的分辨率—這就是虛擬現(xiàn)實(shí)程序的用武之地。就定義而言，再使用任何方法都不會(huì)給患者帶來(lái)任何真正的好處?！?Ghezzi說(shuō)。視覺(jué)范圍最高可達(dá)43°，極大提升佩戴者生活質(zhì)量另一個(gè)人工視覺(jué)植入物的面臨的重要問(wèn)題是，視野范圍問(wèn)題，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是，患者佩戴的攝像機(jī)能夠捕獲多大范圍內(nèi)的外部世界信息號(hào)。近些年來(lái)，“人造視覺(jué)”相關(guān)的醫(yī)療技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)取得了令人難以置信的成就，但是目前市面上的視網(wǎng)膜植入物，可提供的視角范圍依舊受限。已獲批且植入最多的產(chǎn)品Argus?II最多可提供20°的視角，但20度的視野其實(shí)很難確認(rèn)障礙物。特別是在移動(dòng)的開(kāi)放空間中，佩戴者很難獨(dú)立安全行進(jìn)和日常生活。因此據(jù)相關(guān)調(diào)研，大多數(shù)已經(jīng)進(jìn)行了植入的患者在手術(shù)后的第一年到第三年都停止使用植入物。此外，三分之一的前視網(wǎng)膜假體使用者宣稱(chēng)，該裝置對(duì)三年后的生活質(zhì)量有中性影響。令人振奮的是，Ghezzi團(tuán)隊(duì)的最新植入物POLYRETINA是一種寬視野的高密度前視網(wǎng)膜假體，一旦結(jié)合到彎曲的柔性支撐件上，活動(dòng)區(qū)域就會(huì)稍微拉伸到13.4 mm，將佩戴者的視野角擴(kuò)大到43°，基本可以支持正?；顒?dòng)。光伏前視網(wǎng)膜視野 Ghezzi團(tuán)隊(duì)以恒定的分辨率但不同的視場(chǎng)角進(jìn)行了測(cè)試?！拔覀儚?度開(kāi)始，然后一直擴(kuò)展到45度。我們發(fā)現(xiàn)飽和點(diǎn)為35度-物體在該點(diǎn)以上仍保持穩(wěn)定。” Ghezzi說(shuō)。所有這些實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)的容量無(wú)需進(jìn)一步提高，并且已經(jīng)為臨床試驗(yàn)做好了準(zhǔn)備。但是該團(tuán)隊(duì)將需要等待人體試驗(yàn)批準(zhǔn)，因此也需要更長(zhǎng)的時(shí)間，才能將其技術(shù)植入實(shí)際患者中。目前，唯一的問(wèn)題是該系統(tǒng)尚未在人體上進(jìn)行過(guò)測(cè)試?！坝捎讷@得醫(yī)療批準(zhǔn)需要很長(zhǎng)時(shí)間，因此我們尚未被授權(quán)將我們的設(shè)備植入人類(lèi)患者體內(nèi)。但是我們提出了一種虛擬測(cè)試流程，這是一種變通方法?！?Ghezzi說(shuō)。更具體地說(shuō)，工程師開(kāi)發(fā)了一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)程序，該程序可以模擬患者在植入物中會(huì)看到的圖像。
相關(guān)報(bào)道：https://www.nature.com/articles/s43246-021-00133-2https://scitechdaily.com/retinal-implants-equipped-with-10500-electrodes-to-give-artificial-vision-to-the-blind/

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