酷应用

埃隆·马斯克的人造视力能看到啥？

百家作者：人工智能学家 2024-04-25 19:55:29

点击上方蓝字世界科学，再点右上角三颗痣设为星标，从此你的世界多点科学~

现年56岁的美国人布莱恩·巴萨德（Brian Bussard）曾失去视力，如今他大脑内有25块微型芯片。这些旨在提供“人造视力”的脑植入设备是当下最前沿的脑机接口技术，是数十年探索的宝贵成果，也是科学家测试此类芯片效果及安全性的一次尝试，它们于2022年2月被置入该项目第一个志愿者，即巴萨德的脑中。

巴萨德在17岁时因视网膜脱落而左眼失明，其右眼在2016年也失去了视力。不见光明的生活无比艰难，却也是每个视障人士不得不适应的日常。

2021年，他听闻芝加哥伊利诺伊理工学院正进行视觉假体（visual prosthesis）试验，对此产生很大兴趣并报名参加，不过研究人员也提醒他：该设备是实验性的，参与者不应期待凭此恢复正常视力水平。

最终，脑中芯片成功带给巴萨德以人造视力，但非常有限——他将其描述为“雷达屏幕上的光点”。借助植入物，他能感知以白色和彩虹色点呈现的人与物。

西班牙米格尔·埃尔南德斯大学的专家团队迄今已为4名视障人士植入了类似系统。

工业界也正大力开拓此领域。

总部位于加州的医疗设备制造公司Cortigent正在开发一种名为Orion的人造视力设备，通过植入物和眼镜给用户大脑直接传递影像，已有6名志愿者尝试该产品。

埃隆·马斯克（Elon Musk）创立的神经技术公司Neuralink也在研发用于人造视觉的大脑植入物。今年3月，马斯克曾在社媒X发帖声称，Neuralink的设备Blindsight“已经在猴子身上发挥作用”……“一开始分辨率很低，就像早期的任天堂显卡一样，但它最终可能超越普通人的视力。”

考虑到视觉形成过程极度复杂，马斯克的预测不现实。通过大脑植入物提高人的视力，这需要克服巨大的技术障碍。当然，对盲人群体而言，即便只获得基本视力，那也是巨大的改变。

“大脑里的手机网络”

伊利诺伊理工学院生物医学工程教授菲利普·特洛伊克（Philip Troyk）领导了巴萨德参与的试验项目。他表示：“目前这方面的工作并不以恢复生物视觉为目的，而是要探索人造视觉的可能性。”

当光线射入眼睛时，它首先穿过角膜和晶状体，即眼睛的外层和中层。当光线到达眼睛后部（视网膜）时，那里的细胞（称为感光器）会将其转换为电信号。这些电信号通过视神经传播至大脑，大脑将这些信号翻译为图像。如果没有完整的视网膜或视神经，眼睛就无法与大脑交流，许多完全失明者就面对这种情况。

特洛伊克团队和Neuralink方面所构建的设备能完全绕过眼睛和视神经，直接向大脑发送信息，正因如此，它们有望克服任何原因——无论是眼部疾病还是外伤——导致的失明。

视觉皮层负责处理由眼睛发送的信息，因位于大脑后部，故十分易于植入设备。为将25个芯片放入巴萨德大脑中，外科医生进行了常规开颅手术，并取出一块头骨。

植入脑中的芯片实际上就是微型刺激器，可发出微弱电流，单块尺寸接近橡皮擦，包含16个微小电极，每个电极都比人头发丝还细，每个电极受单独控制。巴萨德总共植入了400个电极。用特洛伊克的话说：“这就像在大脑里安置了一个手机网络。”

没有光的光点

通过特制眼镜上的摄像头，设备能捕捉周围环境的图像，并借助软件处理将其转化为与芯片网络对话的命令，从而接通电极以刺激神经元。这种刺激会产生一种叫作“光幻视”（phosphenes）的视觉感知。它看起来像光点，但实际上眼睛并不接收光线。

由于刺激器集中于视觉皮层一部分，巴萨德只能在视野的左下部分看到光幻视，不过这也足以提高他在房间中导航和执行基本任务的能力，例如，他能从桌上四个不同物件里选出那个他想要的盘子。

怎样生成更优质的图像？这是视觉假体研发者最关心的问题。

美国匹兹堡大学眼科助理教授陈星（音译）博士表示：“电极越多，理论上可产生的光幻视就越多，人造视觉下的形状也就越复杂精细。”

2023年，陈博士和同事发表论文，介绍了他们用1024个电极创建视觉假体的工作：他们在实验猴子身上测试视觉假体系统，发现猴子真借助设备识别出了字母。团队估计，若以这种方式恢复盲人视力，需要数百到数千个电极。

但特洛伊克认为，关键不在于电极数量，而是电极位置，将其分布于视觉皮层处，的确能在更大视野中产生更多光点，可代价则是更具侵入性的外科手术。

定制的刺激

米格尔·埃尔南德斯大学团队只允许志愿者接受一个包含100个电极的植入设备。不过根据他们于2021年发表的论文，即使电极数量不多，一名60岁视障女性仍凭此识别出线条、形状和简单的字母。领导该项目的神经科学家爱德华多·费尔南德斯（Eduardo Fernández）表示，后续又有3名盲人志愿者获得类似的视力改善。

费尔南德斯强调人造视觉“并非重见光明”，其主要目标是提高盲人的定向能力和行动能力。在一项测试中，一名植入视觉假体的男性在虚拟现实跑步机上行走时能做到避开障碍物。费尔南德斯希望未来增加植入电极数量，从而让视障人士获得更多光幻视，感知更丰富细腻的影像。

目前，费尔南德斯团队正就4名最早期志愿者的情况作深入探究——每个人视觉皮层都略有不同，因此他们必须对植入电极的位置以及要传递的电刺激量进行实验。

我们为每名志愿者定制刺激。”

想通过定制植入物来获得最佳效果，需克服很大挑战。

在早期实验中，科学家使用置于大脑表面的大型电极，以相对较高的电流产生光幻视，这种刺激有时会导致癫痫发作、疼痛和脑组织损伤。陈博士指出，我们既要足够强的电流来产生光幻视，又要避免不必要的副作用，在这两方面取得并非易事。

柔性电极和移动式设备

植入物的寿命也相当关键。前文介绍的陈星团队和埃尔南德斯团队都使用了一种名为“犹他阵列”（Utah array）的刚性植入设备——由100个微小硅针组成的方形网格，每个硅针尖端都有一个电极。犹他阵列可持续工作数月至数年，但当植入物周围形成疤痕组织并干扰其从附近神经元接收信号的能力时，它就会停止工作。伊利诺伊理工学院团队的植入物由氧化铱制成，看起来就像微型的毛刷头。

Neuralink等公司新开发的植入设备拥有尺寸更小、可穿透大脑的柔性电极。例如，Neuralink的硬币状设备被置入头骨，其纤细的线状电极延伸至脑组织中。