携手健康网携手健康网

为盲人量身定制的光刺激

用神经技术刺激神经系统为治疗人类疾病开辟了新途径,例如可以恢复截肢者触觉的假肢和腿,提供具有不同触摸分辨率的详细感觉反馈的假肢指尖,以及帮助通过给予视觉感觉而失明。

一项欧洲合作的科学家表明,视神经刺激是一种很有前途的帮助盲人的神经技术,但目前的技术只能提供简单的视觉信号。

尽管如此,科学家们的愿景(无双关语)是设计这些简单的视觉信号,以帮助盲人日常生活。视神经神经刺激还可以避免像直接刺激大脑的视觉皮层侵入性操作。但是,如何优化对视神经的刺激以产生一致且有意义的视觉感觉呢?

现在,EPFL、Scuola Superiore Sant'Anna 和 Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati 之间的合作结果今天发表在Patterns 上,表明一种新的视神经刺激方案是开发个性化视觉信号以帮助盲——这也考虑了来自视觉皮层的信号。该协议目前已经在人工神经网络上进行了测试已知模拟整个视觉系统,称为卷积神经网络 (CNN),通常在计算机视觉中用于检测和分类对象。科学家们还对 10 名健康受试者进行了心理物理学测试,这些测试模仿人们从视神经刺激中看到的东西,表明成功的物体识别与 CNN 获得的结果一致。

“我们不只是试图刺激视神经来引发视觉感知,”EPFL 科学家兼该研究的第一作者 Simone Romeni 解释说。“我们正在开发一种优化刺激方案的方法,该方案考虑了整个视觉系统对视神经刺激的反应。”

“研究表明,您可以使用机器学习方法优化视神经刺激。它更广泛地展示了机器学习在优化神经假体设备刺激方案方面的全部潜力,”EPFL Bertarelli 基金会转化神经工程教授兼教授 Silvestro Micera 继续说道。 Scuola Superiore Sant'Anna 的生物电子学。

这个想法是刺激视神经以诱导幻视,即一个人视野区域内的光感。EPFL 科学家计划使用神经内电极,即刺穿神经而不是缠绕在神经周围的电极,但对由此产生的感知图像仍然存在巨大限制。

与电极技术的尺寸相比,限制来自视神经的生理学。神经内电极由刺激部位组成,与捆绑在视神经中的数百万个轴突相比,这些刺激部位的数量很少,后者的直径不超过几毫米。换句话说,一个给定的刺激部位会到达数百到数千个来自视网膜的周围神经纤维或轴突,导致非常粗糙的电刺激。

调整这种粗略的电刺激对于所有神经假肢来说都是一个主要的挑战,但对于例如与提供来自上肢和下肢的感觉反馈的信号相比极其复杂的光信号来说更是如此。

科学家的工作是第一个以自动优化视神经刺激方案为特色的工作。“最相关的概念进步与这样一个事实有关,即我们第一次通过在皮质激活模式上‘关闭循环’来定义优化神经刺激的问题,”罗梅尼解释说。“在我们的模型中,我们可以利用皮层信号来指导神经刺激的想法产生的结果与当前神经刺激优化方法的理论优化相当甚至更好。”

“我们的研究表明,可以在模拟皮层视觉区域的 CNN 深层中引发所需的活动模式。下一步是了解应该引发哪些模式以诱导对任意视觉对象的感知,”Davide Zoccolan 继续说道,神经生理学教授和 SISSA 视觉神经科学实验室负责人。“为了迎接这一挑战,我们现在正致力于构建基于 CNN 的神经元反应预测模型。这些模型将根据视觉皮层神经元对一系列视觉图像的反应来学习视觉皮层神经元的“调整”,从而揭示图像之间的映射空间和反应空间是视力恢复的核心。”

与罗马 Policlinico Gemelli 的意大利合作伙伴合作,计划在明年进行临床试验,在同一个地方为截肢者进行植入手术,科学家们想知道未来的志愿者会看到什么。

“对患者的翻译将需要处理受试者间的变异性,这是神经假肢中一个众所周知的问题,”罗梅尼说。“我们还远未了解有关神经系统的一切,我们知道当前的技术具有内在的局限性。我们的方法将有助于解决这两个问题并处理大脑如何解释刺激,希望能产生更自然和有效的协议。”

挑战是巨大的,但科学家们正在采取措施将愿景变为现实。

郑重声明:本文版权归原作者所有,转载文章仅为传播更多信息之目的,如作者信息标记有误,请第一时间联系我们修改或删除,多谢。