新型侵入式神经调控技术应用于大脑视觉认知功能的重建

脑机接口社区 2022-04-26

在早期的研究中，研究者发现通过给人类视觉皮层施加电刺激可引起短暂的光闪烁知觉（光幻视）。此后，科学家们致力于开发通过电刺激视觉皮层帮助后天失明盲人恢复视觉的视皮层假体（visual cortical prostheses,VCP）。VCP 的基本结构包括：用于捕获视觉场景的头戴式摄像头模块、将图像转换成对应刺激模式的计算模块，以及电刺激信号产生模块。近年来，随着小型化技术及高效率数字电路技术的进步，VCP 得以进一步发展。其中，2020 年荷兰神经科学研究所 Pieter R. Roelfsema 课题组和美国贝勒医学院 Daniel Yoshor课题组发表的重要成果，从不同的技术角度利用 VCP 分别探索了猕猴[23]和人类[24]的视知觉功能增强新方案，在众多研究成果中令人耳目一新。

图2. 10 电极植入位置及对应的感受野（图片源自 [23]）

A.实验猴 L 左半脑V1 和 V 4 植入电极位置示意图。B.实验猴 L 和 A 植入电极位置的放大示意图。C.实验猴 L 颅内电极对应的感受野中心。D.实验猴 A 颅内电极对应的感受野中心。E.实验猴 L 颅内电极对应的光幻视位置。F.实验后 A 颅内电极对应的光幻视位置。

Pieter R. Roelfsema 等在《Science》杂志发表的研究[23]沿用了早期研究中同时刺激多个电极点时被试能知觉到对应形状的假设，借助了在生物兼容性和电学特性上表现优异的犹他电极阵列，通过在猕猴的视觉皮层中植入 16 个 64 通道的微电极阵列（图 2.10 A,B），实现了对于视觉皮层上千个位点的活动调控。以往的研究表明，当初级视皮层施加电刺激成功产生幻视知觉时，可在更高级的视皮层检测到相应的响应。基于此，两个 64 通道的犹他电极阵列被植到了 V4 区以采集高级视皮层的电生理活动，通过与剩余 14 个位于初级视皮层 V1 区的电极阵列配合，即可确定每个电刺激通道的刺激阈值。这一点与之前的常规操作不同，它不再需要由使用者针对不同通道的不同刺激水平逐个报告感觉，而是可以自动快速地进行阈值测试，这大大提升了视觉重建系统的效率和实用性。在明确每个刺激通道对应的光幻视阈值及出现的位置后（图 2.10C-F），研究者们利用组合电刺激对猕猴刺激出了点、线及字母的光幻视知觉。在具体的实验任务中，Roelfsema 组对两只植有高密度电极阵列的猕猴进行了运动方向任务的训练和测试，与运动轨迹感受野对应的微电极被施加顺序电刺激，考察猕猴是否可以感知相继生成的光幻视点的方向。而在另外的字母识别任务中，字母形状被分解成点状并显示在计算机显示器上（图 2.11），电刺激信号被同时传递到 8～15 个电极通道上，尝试对猕猴构建出对字母形状的知觉。而最终试验结果表明，猴子能成功“看到”移动的点、线条，以及字母。

图2. 11 视觉皮层的电刺激用于重建对字母的知觉（图片源自 [23]）

如果说高密度电极阵列的成功植入是保障Roelfsema等研究顺利的关键因素，那么美国贝勒医学院 Daniel Yoshor 课题组在《Cell》杂志发表的关于利用动态颅内电刺激新技术（dynamiccurrentsteering）的研究[24]，则是从刺激范式上实现了创新，该研究利用了较少的电极成功地在人类（三名癫痫患者以及两名盲人）初级视皮层“打印”出字母形状。据报道，这项研究的灵感来源于一个简单的触觉实验：当使用多个探针按压手掌形成字母形状时，大脑无法感知刺激的意义、无法辨别目标字母的形状，而当使用单个探针以与目标形状相匹配的顺序在手掌上动态地示踪时，大脑却可以连贯地知觉到字母形状（图2.12A,B）。类似地，在过去的研究中，通过简单地对多个刺激通道同时施加电流（图2.12C），只会让被试知觉到多个单独的光幻视点而难以整合成有意义的形状，并且这些独立的光幻视点可能会混在一起形成一个单独的幻视点难以被分辨。与此不同，Yoshor等开发的动态电刺激技术则是通过控制各通道电流以与目标形状（图2.12D白色箭头）匹配的时间顺序先后传递到电极网格，从而产生连贯的视觉感知。在这个过程中，可以通过调整相邻两个电极注入电流的强度（图2.13），以激活这两个电极中间位置的神经元，从而在这两个单独电极（图2.12D深蓝色圆圈）之间的位置达到虚拟电极（图2.12D浅蓝色椭圆形）电刺激的效果，实现刺激位置的连贯性。在Yoshor课题组的这项研究中，研究者对初级视皮层植有微电极阵列的癫痫病人和盲人测试了这项技术，结果显示（图 2.14），通过在对应的视觉皮层区域施加字母形状的动态电刺激，患者可以“看到”电刺激所示踪的形状，并在触摸屏上准确地“打印”出这些形状（如“W”，“S”和“Z”等字母）。不仅如此，这项技术还表现出较高的刺激效率，被试可以快速识别和重建形状，其效率可达每分钟“打印”86个形状。值得注意的是，Yoshor组研究涉及的参与者无法通过静态电刺激识别任何形状，这与早期研究声称同时对多通道施加静态电刺激能够使参与者产生形状的知觉不太一致。

图 2.1 动态刺激重建触觉和视觉功能的示意图（图片源自[24]）

A．大脑无法感知静态触觉刺激对应的字母形状。B.动态触觉刺激示踪字母形状后大脑感知到对应形状。C.多通道颅内电极稳态电刺激无法使大脑知觉出字母的形状。D.动态颅内电刺激实现大脑对字母形状的视知觉。

图2. 13 通过调整相邻电极刺激强度实现中间位置的虚拟电刺激（图片源自 [24]）

A相邻刺激位点（ F 01 和 F 03 ）植入位置示意图。B. F 01 和 F 03 刺激强度调节。C刺激电流波形示意图。D 图 B 中调节 F 01 和 F 03 刺激强度对应形成的光幻视位置。

图2. 14 对盲人测试动态刺激（图片源自 [24]）

A．实验录像截图。B. 电极植入位置示意图。C. 光幻视位置示意图。D. 电刺激波形示意图。E.电刺激次序与患者对应绘出的形状。F. 患者在多个试次中绘制的形状。G对患者在每个试次绘出的形状的多维尺度分析。H. 字母形状识别准确率。

可以看到，对于同时刺激多个电极位点是否会引起可分辨的视知觉，Roelfsema 等与Yoshor等在利用视皮层刺激实现诸如字母形状等有意义的幻视时，持有不同的观点，且在二者分别针对猕猴和人类的实验中，得到的结果也具有不一致性。此外，Roelfsema 等认为Yoshor等提出的动态电刺激方法难以保证单位时间内传达的信息总量，这一点也许在未来超高密度微电极阵列具备植入人类大脑的条件时能得到解决。

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智源发布！《人工智能的认知神经基础白皮书》

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