一种新型视觉假体

本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定反映《大众科学》的观点

在正常视觉中，光线落在眼睛内部的视网膜上，并立即转化为电化学信号，然后通过视神经上传到大脑。因此，你看到的不是光线本身，而是大脑对大脑视觉部分电化学信号的解释。由此可见，如果你的眼睛不能工作，但你的大脑恰到好处地受到刺激，你的视觉神经元就会像你的眼睛处于完美状态时一样被激活（你就能看到东西）。

听起来很容易，但我们能做到吗？基于视觉神经科学领域数十年的研究，我的实验室与苏珊娜·马丁内斯-康德的实验室合作，现在已经进行了一些研究来验证这个想法，完成了朝着新型视觉假体迈出的最重要初步步骤。 

美国国立卫生研究院院长弗朗西斯·柯林斯刚刚发表了一篇博客文章，重点介绍了我们的方法。 当我们今年在BRAIN Initiative（脑计划）首席研究员会议上首次展示我们的工作时，他注意到了我们的工作。BRAIN Initiative是由美国国立卫生研究院领导的政府资助计划，旨在推动脑植入体等主题的研究。BRAIN Initiative资助了包括美国国立卫生研究院在内的多个机构，包括国家科学基金会，该基金会慷慨地资助了我们迄今为止的研究。

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我们的出发点是，视觉从根本上来说是一个缩略图。即使你 99.9% 的视网膜工作正常，但你视野中心 1/1000^th 的部分坏了，你也会被法律上认定为盲人。视野中心 0.1% 的大小大约相当于手臂伸直时拇指指甲的大小。由于视网膜中心 0.1% 是视觉黄金点，因此是视觉魔力发生的地方。事实上，视网膜剩余 99.9% 的主要工作是帮助你检测下一步眼睛应该移动到哪里。这意味着我们需要恢复盲人的中心视力，否则我们就不是真正恢复了功能性视力。

此外，我们还需要实现与正常视力相同的清晰度的假体视觉，否则患者仍然会视力受损。多好才算足够好？答案就在星星中。在晴朗的夜晚走到户外，抬头看看天空中的星星。这似乎违反直觉，但天空中最大和最小的星星实际上从你的视网膜光感受器的角度来看大小相同。由于所有星星都离我们非常遥远，因此从每颗星星到达地球并落在你的视网膜上的光线所覆盖的面积小于单个光感受器的面积。但是，由于大气（尤其是你的眼睛）中的散射，较亮的星星会激活更多的光感受器，因此看起来比较暗的星星更大。因此，天空中最暗的星星是你可能看到的最小的东西。如果我们能够假体地恢复看到这种大小物体的视力，那么我们就可以恢复看到世界上任何物体的视力——这对许多患者来说将是改变人生的，并且值得冒脑部手术的风险。

我们最近的研究表明，有可能以足够的精度刺激视觉大脑的特定点，从而假体地唤起天空中一颗单一的星星，具有最大的对比度，而不会刺激不需要的神经元。这就是刺激大脑——恰到好处——并恢复视觉构建块的意义所在。

我们的项目主要有两个步骤

首先，为了以突触精度刺激视觉处理的阶段，就像自然视觉系统所做的那样，我们需要一种以假体方式激活视觉系统神经元的方法。我们通过将定制病毒注射到大脑中心视神经首次连接的区域来实现这一点。该病毒将基因注入这些细胞，并将它们变成光感受器：现在它们可以被光激发。由于这些神经元一直延伸到大脑后部的视觉皮层，并且由于它们以与视觉世界相匹配的地图排列，我们可以使用视频投影仪精确地刺激它们的突触连接，以重现它们对真实传入视觉输入的反应方式。然后，我们瞄准中心视觉神经元，最终恢复视力。这就是我们计划中的视觉假体的本质。

其次，在不监测刺激效果的情况下刺激神经元是不够的。我们还需要实时读取刺激的效果，以根据神经元放电固有的变异性进行功率调整。恢复视力意味着要考虑使视觉系统始终保持校准状态的调节机制。

为了实现这一目标，我们将注射更多的病毒，这次是在视觉皮层中，使这些神经元具有生物发光性，以便它们在活跃时闪烁。通过使用许多不同颜色的生物发光蛋白质，神经元将具有各种不同的颜色，这意味着我们将能够使用彩色相机读取它们的活动——就像你手机上的微型相机一样。

第三，我们将需要构建一个可以植入大脑的视频投影仪/彩色相机。这是一项相对简单的工程任务，与设计智能手机相当或更简单。未来几年将揭示我们是否可以利用这些进步，从理解假体视觉的基本构建模块到制造功能齐全的高质量视觉假体。我们将随时向您通报我们的进展。