神经植入物能够欺骗大脑,从而使人类顽疾得以根治
作者:R. Colin Johnson
使盲人复明使失聪者听到声音一直以来都是圣经里的神话故事,但是现今硅芯片正在使这些奇迹变为现实。这种“神经植入物”技术的核心问题-- 寻找生物相容性材料以及逼真的信号编码方法-- 已经可以使人造的电子仪器欺骗大脑接受来自人工源的感知数据。迄今为止,模数混合传感器系统似乎正常工作--模拟芯片用于身体内的神经植入,数字芯片用于外部的感知数据处理,但是谁知道今后会如何？当人能够制造已往是神造的东西的时候,没人能预言还会出现什么奇迹。但是现在医治盲人和失聪者、增强感知、注解体验、添加记忆以及启动人造心灵感应术等等,这些奇迹都已经实现了。
“我们的DSP使神经植入物将自然感知转换入电子输入信道并提供给大脑。我们对大脑与电子信道的直接接口了解不多,但是我们已经开始明白眼睛、耳朵、鼻子、舌以及皮肤这些器官的神经编码过程了。它们正在成为我们连通到大脑的周边输入设备,一种通向大脑的天然USB通道。”德州仪器的研究员Ray Simar表示。
作为TI的数字信号处理半导体小组的先进架构开发经理,Simar声称他的DSP可以转换来自视频摄像机、麦克风、信息素检测器(pheromone detectors)、光谱摄制仪、压力传感器等的原始感知输入,然后可以实时把它们编码为脉冲序列,该信号分别与眼睛、耳鼻、舌或皮肤的感觉神经元发出脉冲编码类似。
对于耳朵来说,耳蜗是一个依靠内耳毛细胞( Inner-ear Hair Cells)来转换振动耳膜声波的模拟装置。IHC把声信号变成脉冲序列然后通过神经直接传入大脑。最近,Johns Hopkins的研究人员已经证明,在新生儿“听到”外界声音之前,在生命初始化阶段的最初数天里,他的耳蜗会接收一个来自大脑又返回到大脑的调制试验信号。在这个初始化阶段之后,新生儿开始接受来自外部世界的输入信息。
因此,在这个时期过后失聪的患者可以安装一个人造耳蜗。今天,医师植入一个小型包覆器件,该器件通过一个容性接头连接到把听觉脉冲传送至大脑的神经。它以射频方式与一个电子耳夹通讯,而电子耳夹则配备一个麦克风、DSP以及射频送话器。
人造耳蜗已经成功地使失聪者再一次听到声音,这是与医疗研究人员密切配合所取得的成果,医疗研究人员记录并分析感知的神经行为,工程师们则编制DSP算法对神经脉冲序列编码使其成为大脑可以接受的人工输入信号。
“我们有一个很大的学科交叉小组,既有生理学专家又有软件算法专家,”USC的Keck医科Doheny视网膜研究所的眼科学教授和协理董事Mark Humayun称。
潜伏的失明
与已经成功的人造耳蜗的方法相类似,去年Humayun和他在USC的同事Eugene de Juan一起,在病人的眼睛里植入了一个人造视网膜,该病人患有色素性视网膜炎和黄斑部变性,虽然新生儿初始化阶段就已经建立了视神经到大脑的连接,但这两种病症在新生儿初始阶段过去很久之后还会导致失明。他们采用的人造视网膜主要包括一个3mm2面积的模拟芯片,可以刺激将信号输入到视神经的神经节细胞,从而对视觉中枢产生新的刺激,经过几个星期的适应之后,以前看不见的人可以再次恢复视觉,虽然是比较模糊的视觉。
整个系统包括一个贴装在眼镜上的视频摄像机,该摄像机把百万像素的场景发送到一个腰包,腰包里的DSP和微控制器将图像编码成类似于自然视网膜的脉冲序列。然后一个高频发送器把编码信号传到植入在人造视网膜中的接收器,人造视网膜的铂电极刺激失效的视网膜下的神经节细胞。(同时,一个低射频发送器发出一个恒定的交流信号到芯片,然后这个交流信号被整流成直流电来为芯片提供能量。)
“很明显,我们并没有完全把原始的视觉信号复制给大脑,因为在设备刚开始运作时,患者看不到东西。他们的大脑并不认识这个新的输入信号,但是几个星期之后患者就可以看到了。我们发现,大脑能够设法处理非常粗糙的输入并迅速地使用它。就像一个孩子学习说话和走路一样。”Humayun称。
他现有的人造视网膜原型只有16个电极,与正常眼睛中来源于有数百万个神经元的原始信号相比,它的输入视觉信号极其粗糙。然而病人声称能够看到模糊的图象,并且有一个病人声称可以可靠地辨别两个不同的物体。他的下一个植入物样品已经准备做临床前的试验,它将有64到100个像素,分别按8x8或10x10排列。
“对于第三代植入物,我们想使用具有1,024个电极的芯片,”Humayun介绍他的尚处于设计阶段的32x32像素视网膜的植入物时表示。“制造足够小的电极时遇到了一些硬件问题,但是我们遇到的主要障碍是如何对信号进行足够快速的编码。我不知道是否需要TI的1GHz DSP,但我们的确需要一个速度非常快的DSP。”
统计数据
现在全世界有4千万盲人,但是现在的视网膜弥补术仅仅能帮助极少数的视神经仍然连接大脑的病人,包括患黄斑部变性(盲点)和色素性视网膜炎(遗传性的夜间和周边视力混乱)的病人。现在,治疗盲人行业的年收入仅仅5百万美元,但是当上述技术可用于治疗各种失明症时,该行业的年产值将有可能达到数十亿而非数百万美元--时间也许就是在10年之内。
失明症的治疗有三个研究方向:遗传研究,它复原眼睛里的DNA使其再生已死的细胞；通过植入培养细胞移植恢复死细胞；还有就是电子修复术。遗传解决方案据估计至少还需要20年的研究,植入培养细胞至少还需10年时间。但是电子修复术已经可以应用了。
遗传学解决方案还需要20年的研究,植入培养细胞还需要10年
“最初我并不赞成视网膜修复术的想法——我支持其它的医学方法,比如植入培养细胞或者使用遗传再生已失效的细胞。但当我发现还需要15年甚至20年时间才能实现它时,我还是认可了视网膜修复技术。”内科医生Tetsuya Yagi表示,他同时也是Osaka University电子工程系的教授。
根据Yagi的说法,现在植入物本身还有缺陷,主要是还没有完全解决身体对异物的排斥反应问题。还有,如果受到干扰视神经会退化,这样就不能直接刺激单个神经节细胞。
“我认为生命组织和假肢器官之间的接口是薄弱环节,也是我们需要真正取得突破的地方。比如,通过在猫身上试验,我们发现,如果在切断它之后20分钟里刺激视神经,这个神经不会退化,但是如果你不刺激它,那么它一定会退化。”Yagi称。
在眼球视网膜中央2毫米大的成像凹区里,有多达100万个神经节细胞,在该区域形成的聚焦影象的度量尺寸是微米单位,但是现在的电极的度量单位是毫米,电极是如此之大,以至于它们不能精确定位任何一个特定的神经节细胞。“现在,我们甚至不知道我们刺激的是哪个神经节细胞；事实上,我们只能刺激其组织,间接地刺激组织附近的神经节细胞。”Yagi称。
Yagi的工作得到了日本政府的赞助,其5年(2001- 2005年)“人工视力系统”研究计划得到了新能源和工业技术),在NEDO赞助的象Yagi这样的科学家里,不仅仅有从事人造视网膜研究,也有从事弥补术研究的,包括最终将植入物直接植入完全没有视觉功能的患者的大脑里。
在美国,五个国家实验室、两个大学以及一些企业正在联合开发一种MEMS电极以用于人造视网膜。DOE计划已经拨款9百万美元用于资助“人造视网膜”项目。美国Oak Ridge National Laboratory在管理该项目的同时也进行电极阵列的动态和静态试验。
该实验室计划研制专用的眼传感器以用于军事部门,并得到劳伦斯利弗莫尔和圣地亚国家实验室的帮助研制先进电极。洛斯阿拉莫国家实验室也为该项目提供专用的光学成象技术。
与增加人体感知不同,摩托罗拉的MC33794电场IC可以感知车内乘客的身材,这些在座位和门板里的电极形成了一个三维电场,这个电场可以显示乘客的身材。该芯片驱动一个电极和地之间最大100皮法的电容性负载。被感知的物体影响该120kHz电场的强度(按伏/米计量),强度与物体的介电常数成正比,这样就可以显示它的成份。
人工视觉系统公司
Second Sight LLC
Sylmar, Calif. Sylmar,加利福尼亚州
公司的创始人Robert Greenberg此前是USC教授,他是Mark Humayun(他发明了人造视网膜)的研究生,该公司生产人造视网膜芯片。一旦技术成熟,公司希望能图象放大、彩色校正和夜视这样的“特殊能力”加入正常视觉中。
Advanced Medical
Minneapolis 明尼阿波利斯
公司正在研制红外线热探测器-microbolometers-它可以吸收红外线并转换为热能。植入芯片因此能探测温度变化。该公司声称,这是一个低成本、可大量生产并与低分辩率视网膜植入没有冲突的解决方案。
VisionCare
Saratoga, Calif. 萨拉托加,加利福尼亚州
该公司已经在超过100个患者身上测试了一种植入物,这种植入物由一个植入眼球的完整微型望远镜构成。该显微望远镜从foveon区采集光线,并将它重定向至视网膜的一个工作区域,为病人的盲点产生一个放大影像。
Optobionics Corp.
Naperville, Ill.
该公司已经在数个患者身上测试了其不须外接电源的太阳能“人造晶片视网膜”。多达5000个太阳能单元替代了失效的视网膜细胞并直接刺激依然健康的细胞。接受测试的患者报告说可以看到模糊的轮廓。
The Dobelle Institute
Lisbon, Portugal 里斯本,葡萄牙
该公司是唯一能提供将电极绕过眼睛直接植入大脑的整套系统的公司,医师Bill Dobelle已经设计了一个视频摄像机,它可以刺激直接放在大脑的视觉中枢的植入物。接受试验的患者称,可以看到光线,使他们能在房子里走动,有一个患者甚至可以在封闭道路上开车。
资料来源∶EE Times
京公网安备 11011202001138号
