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让大脑植入物成为失明者的双眼



作者:Karin Derkley

能让无数失明患者重见光明的仿生眼技术是蒙纳士大学视觉研究小组Monash Vision Group追求的目标。这个研究团队需要的专业知识跨越工程、神经外科和生理学这三个领域领域。而其研制的产品是一种用于刺激大脑(而不是视网膜)的装置。该装置将有望在两年内投入临床试验。

二十世纪 70 年代,电视连续剧《无敌金刚》(The Six Million Dollar Man)上演,当男主角史蒂夫·奥斯汀(Steve Austin)跃入我们的电视屏幕时,让盲人能重见光明的“仿生眼”这一概念便开始挑弄着我们的想象。问题是,如何才能实现呢?虚构人物奥斯汀拥有一个植入眼内的高功率摄像头,然而这在现实生活中,绝非如此简单。要模拟我们感受视觉世界的过程,需要在大脑和机器之间建立一个复杂的接口。

在世界各地,正处于不同研究阶段的仿生眼项目有十几个之多。这些项目无一例外地试图使用假体来模拟人体的视觉机制,其手段通常是刺激视网膜上的神经细胞来实现仿生眼的功能。

然而,跨学科领域的蒙纳士大学视觉研究小组(MVG)完全绕过了眼睛这个器官,他们所采用的是一种旨在刺激大脑中视觉皮层的装置。这个功能强大的植入物将直接与大脑进行通信,以重新形成视觉图像,并有可能让数百万失明的临床患者恢复高达 85% 的视力。

蒙纳士大学视觉研究小组所设计的这种装置包含了一个数字摄像机,其安装于一副眼镜内,可以向一个袖珍处理器发送视觉信息。它能将图像转换成的信号,并通过无线方式将其传输给大脑背面的植入物。预计到 2014 年,原型装置将有望植入志愿者体内进行人体试验。

蒙纳士大学视觉研究小组创建于 2010 年 4 月,由澳大利亚研究理事会(Australian Research Council)拨付 800 万澳元作为研究基金。该项目由电子与计算机系统工程学院的阿瑟·洛厄里(Arthur Lowery)教授带领,管理人为珍妮特·普里查德(Jeanette Pritchard)博士。作为一个人才济济的强大团队,蒙纳士大学视觉研究小组广泛吸纳了来自蒙纳士大学和阿尔弗雷德医院(The Alfred)的 20 多位研究人员,跨越的学科领域包括生理学、神经外科学、电子工程学、材料工程学及免疫学。Grey Innovation 和 MiniFAB 这两家私营企业也是团队的核心成员——其主要负责装置的设计、制造和商业化。

作为一名系统工程师,洛厄里教授认为自己的工作就是要对来自各方的知识进行有效的整合。尽管他个人的专业背景是光学设备系统,他还必须要掌握脑电生理学、机器人视觉处理、材料技术及医疗设备技术等不同领域的相关知识。“系统工程师位于设计层级的顶端。我的工作就是要确保每一个设计决策都必须考虑到我们工作中所面临的诸多局限性。”

洛厄里教授指出:“研发过程中所涉及的大多数元素并不是全新的。单独地来看,每个问题所涉及的基本原理都是我们已知晓和掌握的。这一项目是要将这些所有的东西整合在一起,以创造出一些前所未有的东西。”

蒙纳士大学生理学学院的马塞洛·罗萨(Marcello Rosa)教授便是参与这一项目的专家之一。在其职业生涯中,罗萨教授花费了大量时间来研究与测绘大脑中能够产生视觉的部分,他一直在寻找一个问题的答案:大脑中的哪个部位最有可能以最少的成本以及最低的硬件复杂性来实现最佳的效果呢?

罗萨教授解释道,具有高敏视觉的视网膜区域是非常小的,这限制了视网膜植入物清晰成像的能力。而且,只有在健康的视网膜中,植入物才能正常的工作。相比之下,视觉皮层所在的地方正是便于植入物安装的大脑背面,其具有高敏视觉的表面区域为视网膜的 20 倍以上。

早在二十世纪 80 年代的实验已表明,刺激视觉皮层中的某个点可能会在大脑中产生闪光。以这一理论为基础,罗萨教授研发的装置不是只产生一点光,而是产生成百上千点的光。这个装置在用户大脑中的工作原理就与像素一样,将大脑作为一个可以用于“画”图的网格——这有点类似于LED 交通指示灯将信息传递给道路使用者的过程。

“如果说一个电极可以刺激产生一个光点,那么在大脑中植入的电极数量越多,其形成的图像则会越清晰。”罗莎教授说道。由于受到植入物微型化与物理稳定性的局限,研究小组为这一装备提出了一种设计概念,即通过 15 个如小指前端大小的微小电极片为大脑安装 600 个电极。

在包含 600 个光点的网格内生成有意义的图像,这将是蒙纳士大学电子与计算机系统工程学院讲师及研究员——李炜豪(Wai Ho Li)博士需要完成的工作。李博士的专业背景为智能机器人领域与视觉感官领域。他说道:“我的工作就是要将摄像机所获取的图像转化为大脑能够认知与理解的东西。”

早期的仿生眼系统只能再现光影明暗组成的视觉世界,但是这些图像因为缺乏具体细节而无法为用户提供实际的帮助。为了提供更具使用意义的图像,李博士提出了“可转换的现实”这一概念,即将视觉世界转换成一种符号语言。

“我们的目标是要帮助失明者完成其无法借助盲人拐杖和导盲犬来完成的事情。”李博士指出。“例如,在杂乱的室内空间穿行,在办公桌上找到自己的咖啡杯,或者注意到有人在向自己挥手等诸如此类的事情。”

根据其当前所在的模式,处理器会对特定的场景进行“观察”,然后滤去杂波,并将相关的信息传递给用户。在“物体识别模式”中,其焦点放在三维物体的边缘,例如一个放于桌上的咖啡杯。在“空地模式中”,其会照亮穿过一条走廊的清晰路径,就像飞机上亮起指示灯安全逃生通道。“个人识别模式”可以传送脸部和身体以及简单手势的粗略图像——尽管目前还无法做到面部识别或传递面部表情。

在此项目中,李博士所参与的工作覆盖了从摄像机到处理器的整个过程。进行植入物自身的电路设计,确保其拥有持久运行所需的坚固性和可靠性,且要保证其足够微小到能植入人体的大脑中——这便是蒙纳士大学电子与计算机系统工程学院高级讲师让·米歇尔·雷都特(Jean-Michel Redouté)博士的工作。雷都特博士指出,他的团队所面临的挑战是要确保植入物能在一个极为紧凑且具有生物惰性的封装内完成极其复杂的任务,而且最重要的是,该装置本身不能需要太多的电力。

“由于植入物的设计是以无线方式进行工作,因此也必须以无线方式进行对其供电。”他说道,“为此,我们所设计的电路需要在保持低功耗的同时支持数据的大量传输。”

这一难题的关键步骤之一是要确定哪些人脑植入物是可行的。蒙纳士大学外科学院院长及阿尔弗雷德医院神经外科主任——杰弗里·罗森菲尔德(Jeffrey Rosenfeld)教授自项目启动以来便参与其中,以确保非医学工程师们能够了解该项目的生物学局限性。“设计一个漂亮的电子装置是不错,但除非它能适用于人类的大脑,否则就一无是处。”

除了对适合植入大脑的材料提供建议外,罗森菲尔德教授还要确保其他医生了解并能实施手术的流程。“如果我是唯一能够植入这一装置的人,这可并不是一件好事。”森菲尔德教授讲道。在众多的子项目中,其中一项是需要研发一种植入工具来用于将植入物嵌入大脑。这种工具施加的力量必须能够准确地使电极穿透至一定的深度,同时又要确保其不会对大脑造成任何创伤。

罗森菲尔德教授表示,该项目是站在了格雷姆·克拉克(Graeme Clark)教授的肩上——这位人工耳蜗植入物(也被称为仿生耳)的发明者。“植入电极以刺激大脑特定部位的概念并不是我们率先提出来的,这是克拉克教授的首创。”然而,仿生眼项目却要复杂得多。人工耳蜗植入物向大脑传递信号只需用到 23 个电极;而视觉成像所需的电极却达到了 600 个之多。

在完成两年的研究后,下一个步骤就是要准备将装置植入人体大脑中了。用户实际能够“看”到什么东西,这是一个终极考验,但洛厄里教授对此充满信心。“我们所了解的这个装置运行的基本原理是有效的,我们也相信这种装置将使失明患者拥有更多的独立性。”

2012年 10 月

蒙纳士社交媒体

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