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仿生学重建视觉 精选

已有 6007 次阅读 2015-5-30 12:26 |个人分类:活色生香de生物科学|系统分类:科研笔记| Vision, restoration, prothesis

仿生学重建视觉方法:皮质内电极置入


前两周Philip R. Troyk来到我们系做报告。虽然他和我们实验室治疗失明的思路不同,但是交流下来我的导师和我一致感觉他水平非常不错,想问题很深刻。因此在这个暮春初夏介绍一下他的工作。PhilipR. Troyk 目前在Illinois Institute of TechnologyArmour College of Engineering工作,是生物医学工程教授(Professorof Biomedical Engineering)。同时他是Sigenics, Inc.公司的CEOSigenics,Inc.公司就是专攻仿生学重建视觉的。这个看到了吧,他是科研产业化结合的,不是光出paper的。

概念

Philip R. Troyk领导的视皮层植入式电极的研究项目的目标是开发一个皮层内的视觉假体(intracortical visual prosthesis ICVP),通过刺激人的视觉皮层来弥补失明。皮层刺激可应用于大部分的失明患者,因为该方法不要求一个完整的视网膜或视神经的正常功能。而很大一部分盲人的眼睛或视神经已经被损坏了,因此刺激视皮层是他们唯一的修复方案。我认为这个思路是一个80年代很流行的仿生学思路。

新颖之处一:特斯拉无线电能传输

目前的做法是将ICVP多电极刺激刺激模块植入大脑的枕叶,而信号输入和能量供给,不是通过导线跨越颅骨,而是由皮肤外无线供给。如图所示,在电极模块外的线圈通过电磁耦合原理,将电信号以及电刺激所需能量从头颅外无线传递给脑组织上的电极。这种方法比那些使用中央植入封装和互连电缆跨越硬脑膜的系统更好。每个刺激模块是大约5毫米见方,每个包含了用于4x4的电极阵列。

新颖之处二:电极尖端使用稀土元素铱Ir

在作报告的时候,Dr.Troyk神秘兮兮的说他们电极尖端用的是铱Iridium。我百思不得其解,看了看元周期表,铱在77号,旁边是78号铂Pt,应该是性质比较稳定,但为什么没有PtAu,我还没来得及问他。在作报告的时候,他说这个元素不是来自于地球上,是在小行星撞地球的时候的天外来客,颇有一种该电极做一个少一个的感觉。但是我还是不知道为什么用铱最好,不知科学网上了解电极材料的朋友能够不吝赐教。

新颖之处三:充分考虑患者的需求和心理

在设计治疗方案之前,Dr.Troyk花了大量人力进行与患者的交流。我印象深刻的是有患者要求头颅外的装置不能太显眼太奇怪,他的理由是:“我已经盲了,我不想变成怪物。”因为治疗不是一个人的事情,很可能是一个家庭一个家族都要耗费心力,因此Dr.Troyk非常强调接受治疗一定要是患者自己的选择,而不是顾及亲戚朋友的想法。

另外,他不把患者作为医患关系的对立者,而是把他们当做他项目的成员,当做有自我奉献精神的志愿者。因为Dr.Troyk认为治疗疾病需要双方合作,而这种风险性尝试需要患者的利他性美德,以及奉献精神。他把参与治疗的患者称为宇航员,即他们是在对他人和子孙后代作出牺牲。因此患者不是被动的参与,而是主动的融入项目中。

在报告后的午餐时间,我问了他一个问题:“是否能用光纤替代电极,并在皮层转光控蛋白基因”他非常快的给了我他的想法,可见这是个他已经考虑过的问题。他说问题主要有两点:第一,能量传递。如果用光纤,必然要有跨颅骨的线。第二,光刺激的聚焦问题。视皮层最先接受视觉信号的细胞在第四层,然后信息向上传递。如果要模拟真实视觉信号,光控蛋白基因必须只表达在第四层细胞,而光信号必须聚焦于第四层才可以。如果聚焦于其它层可能导致信息紊乱。

 植入模型的细节图:




历史

 

研究开发技术开发为皮层内视觉假体(ICVP)已经跨越了几十年,可以追溯到在美国国立卫生研究院(NIH)的神经假体项目。虽然早已推定该ICVP在技术上是可行的,在一个人的一个多通道系统的实际实现仍然限制于保证视觉皮层的安全刺激。2000年后,Dr.Troyk的团队开始了一个路径来完成这样一个多通道ICVP可以在人体进行测试的技术。

为了实现这一点,要求在电极制造中达到,可能部署高达1000个皮质内电极以及无线刺激器的系统。该项目的技术水平现在已经达到了要求。

 


挑战

 

通信人工图像的大脑需要如何利用人工神经皮质接口的理解。同时还可以提供了有关正常的视觉信号处理,如何使用一种人工皮层神经信号进行通信目前所知甚少,因为由大脑被解码的视觉电信号还是未知的。了解如何人工图像信息进行编码,是ICVP被用作视觉感官替代装置所必须认识到的问题。

 


临床试验

 

目前Dr.Troyk的团队正在准备为ICVP临床试验,并在患者上配置ICVP进行测试。同时进行多参数的系统评估实验,以及受试志愿者的主观感受进行评估。为了最大限度地减少了手术风险,我们计划只将电极植入到枕叶的背侧面。视觉皮层的刺激产生斑块状的视觉。志愿者可以通过自我移动头部来进行信息输入的微调。

 

Dr. Troyk估计,可能希望以接近手术分为两个阶段。在第一阶段,少数16电极模块将被植入一段2-4个月来演示电极神经界面的稳定性,并回答到电极的大小和刺激参数相关的关键问题。在第二阶段,高达60模块可能被植入在相同的志愿者。然而,即使使用1000的电极,它是不确定是否会有足够密度的斑块视觉来恢复视力。而初级视觉皮层(V1)的仅一部分将具有植入电极,初步研究表明,可以通过用户摆动头部来扫描,从而弥补这种空间覆盖的缺失,从而允许用户完成基本视觉的任务,如走路和识别物体。




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