为何马斯克的“盲视”不可能逾越肉眼？

liukang20243天前群众吃瓜1094

文 | 诘问nextquestion

我常想，假定天主给我三天光亮，我最想看什么呢？或许我将怎样享用这份美好呢？当我这样想的时分，也请你想一下吧。请想想这个问题，假定你也只要三天光亮，那么你会怎样运用你的眼睛，你最想让你的目光停留在什么地方呢?——海伦·凯勒

生活在一个多彩的国际，咱们总会怜惜海伦·凯勒失明的遭受，并被她对明丽国际的无限神往所牵动。而实际生活中，全球至少有22亿人视力受损或失明。视觉皮层康复技能的开展，特别是近年来视觉皮层假体的研讨，为他们带来了一线希望。可是，即便是康复了视力，咱们又怎么确知他们所见的国际终究怎么呢？

尽管现在已有三项视觉皮层假体的临床试验正在进行（其间一项运用外表电极，由Second Sight Medical Products公司开发的Orion1,2，别的两项运用深部电极3,4），但关于假体植入后视力能康复到何种程度，咱们尚无法猜测。此外，神经植入范畴仍然很多依托直觉和经历，这或许会带来严峻的直观错误。

在最新宣布于Scientific Reports的文章中5，华盛顿大学的Ione Fine 和Geoffrey M. Boynton描绘了一种依据视觉皮层（V1）神经生理结构的“虚拟患者”模型，成功猜测了参与者在广泛的、已宣布的人类皮层影响研讨中所发生的感知体会。模仿成果标明，更多的、更小的电极并不能保证更好的视力康复。在可预见的未来，皮层假体设备的感知质量或许更多地受制于视觉皮层的神经生理安排，而非技能束缚。

01 现有视力康复技能和难题

现在，全球正在紧锣密鼓开发各种视力康复技能。至少有八个团队在开发视网膜电子植入物，其间两个设备已获准用于患者6–12，其他设备正在进行临床试验13。光遗传学是另一项有远景的研讨方向，开端成果显现一项临床试验报告了有限的视力康复。Leber先天性黑矇的基因医治现已取得临床同意，许多其他基因医治正在开发中。视网膜上皮和干细胞移植也在敏捷发展，几项I/II期临床试验正在进行中。此外还有各种其他有远景的疗法正在开发中。

可是，所有这些疗法都是视网膜干涉，无法用于医治比方视网膜脱离，或存在视网膜神经节细胞或视神经不行逆损害的疾病，比方小儿先天性青光眼。这极大的引发了人们对经过修正大脑皮层视觉中枢来康复视力的爱好。自2017年以来，已有三项视觉皮层假体的临床试验发动。尽管这些临床试验依据很多已有文献（详见表1），而且一起查验了短期和长时刻的皮层影响的作用。可是，迄今为止，这一系列研讨的成果简直完全是描绘性的。

现在，咱们不或许在视觉皮层假体植入人类之前猜测其康复视力状况。神经植入范畴仍依托于直觉和经历。例如，从直觉上来想，咱们会以为更多的、更小的电极能带来更好的分辩率。可是实践状况真如此吗？

▷表1 描绘人类皮层电影响感知作用的论文

Ione Fine团队14经过树立依据V1区神经生理结构的核算模型或“虚拟患者”，成功猜测了多项已宣布的人类皮层影响的感知体会，包括电影响所引起的人类感知的方位、巨细和亮度、以及时空形状，企图在视觉皮层假体植入人类之前猜测其所发生的感知体会。

02 “虚拟患者”处理数据缺少问题

依据之前对视网膜假体影响的模型，Ione Fine团队提出了一套立异的理论结构。他们将皮层植入物中的电流进行时刻上的整合，并将其转化为神经信号的强度。详细而言，这一模型对神经元集体进行影响而发生的感知，是依据每个细胞的感触野进行的线性求和，并依据每个时刻该方位的神经信号强度进行加权取得。尽管该模型在数学原理上简洁明了，且未经过杂乱的参数调整，却成功猜测了多种皮层影响数据。

▷Fine, Ione, and Geoffrey M. Boynton. "A virtual patient simulation modeling the neural and perceptual effects of human visual cortical stimulation, from pulse trains to percepts." Scientific Reports 14.1 (2024): 17400.

（1）从脉冲序列到感知强度的时刻转化

在模型的规划中，Ione Fine团队运用了一种快速的时刻整合阶段，这一阶段通常被以为反映了细胞对电流的即时整合进程，用以生成“尖峰活动强度”的衡量目标。他们进一步假定了一个尖峰的不应期，即细胞在一次激活后需求一段时刻才干再次呼应影响。紧接着，模型进入一个较为缓慢的整合阶段，并引入了紧缩非线性联系，如图1所示。

为了完成这一进程，他们运用了一个简略且老练的单阶段走漏积分器进行建模。在这个积分器中，去极化速率与当时的去极化水平及输入电流成正比。这意味着，电流的改变会直接影响细胞的去极化速率。在模型的第一阶段，输出的“尖峰呼应强度”并不只是代表单个尖峰，而是反映了来自不同激活灵敏性的细胞集体的尖峰征集状况。紧缩非线性联系不只捕捉了这一细胞集体中的饱满现象，还表现了更为杂乱的皮层增益操控机制的影响。

▷图1. 从脉冲序列到感知强度随时刻改变的转化示意图

（2）视觉主导柱、方向针轮和感触野

在初级视觉皮层（V1）中，存在着杂乱而有序的神经结构，这些结构决议了咱们怎么感知和处理视觉信息。图2依据Rojer和Schwartz的作业，展现了这些结构的模仿成果。其间对视觉方向灵敏的方向柱（图2B），是经过对随机白噪声信号进行带通滤波后得到的，其滤波后的视点反映了神经元对不同方向的偏好。Ione Fine团队随后扩展了模型，加入了视觉主导柱（图2C），这些主导柱是沿单一方向对同一白噪声信号的梯度，然后构成了正交摆放的视觉主导柱和方向柱。这些柱状结构与在猕猴和人类中实践丈量到的视觉主导和方向柱图谱高度相似。

单个感触野（图2F）是视觉体系中担任接纳和处理光信号的根本单位。它运用简略模型生成，经过加性组合“开”和“关”子单元，子单元的空间别离来自单峰散布。用于生成方向和视觉主导图的同一带通滤波白噪声，也用于生成操控“开”与“关”感触野别离（δon–off）和“开”与“关”感触野相对强度（won-off）的图。

猜测的光点是经过将每个皮层方位感触野的概括线性相加，并依据该方位的电影响强度进行加权生成的。这意味着，电极方位的影响强度直接决议了感知到的光点的亮度和巨细。

▷图2. 皮层模型示意图

(A) 从视觉空间到皮层外表的改换。(B) 方向针轮图。(C) 眼位优势列。(D) ON和OFF亚单位空间别离。(E) ON与OFF相对强度。(F) 感触野巨细。

（3）光幻视阈值和亮度作为电影响时刻特性的函数

Ione Fine团队将模型猜测与各种脉冲序列中丈量的电流起伏阈值和亮度评级的数据进行了比较，该模型能够精确地描绘脉冲序列怎么跟着时刻改变转化为感知强度，然后成功猜测了在各种脉冲参数、电极方位和电极尺度条件下的光幻视阈值和亮度评级。这意味着，不管电影响的频率、脉冲宽度或电极的详细方位和巨细怎么改变，模型都能牢靠地预估出患者的感知体会。

光幻视阈值指的是发生可见光点所需的最小电流强度，而亮度评级则是患者对发生的光点亮度的片面点评。

（4）光幻视巨细与电流起伏和偏疼率的联系

除此之外，Ione Fine团队1的模型也成功地猜测了光幻视巨细怎么跟着电流起伏和视觉场的偏疼率而改变。研讨发现，跟着电流起伏的添加，光幻视的巨细也随之增大，这与患者的实践感知数据高度相关。这标明，电流起伏是决议光点巨细的要害因素之一。此外，模型还显现，光幻视的巨细跟着视觉场偏疼率的添加而增大。这意味着，坐落视界边际的电影响会发生比中心更大的光点。

（5）形状辨认

在研讨中，团队比较了一起影响和按次序影响两种不同的电影响办法所发生的感知体会。成果显现，当多个电极一起被影响时，模型无法正确辨认出完好的字母形状，这与患者的实践体会共同。可是，当电极依照书写次序顺次影响时，模型能够精确地辨认出字母形状。这一发现提醒了一个要害点：一起影响时，感知的光点难以被正确分组和解说，而按次序影响则能够构成可辨认的形状。

这种现象或许源于“格局塔”效应的失利。格局塔心理学着重全体大于部分之和，阐明咱们的感知体系倾向于将散布的光点整组成有意义的全体。可是，因为模型中未包括电场或杂乱的神经时空交互，一起影响时，光点无法被正确分组，导致形状辨认的困难。而次序影响则经过时刻上的别离，减少了光点之间的搅扰，使得感知体系能够更有效地整合信息，正确辨认出形状。

（6）运用“虚拟患者”猜测新设备的感知成果

Ione Fine团队的模型能够仿制如此广泛的数据，标明它能够供给对新技能或许的感知体会的洞悉——这正是“虚拟患者”模型的重要用处之一。

图3运用“虚拟患者”模型对不同巨细电极或许发生的感知体会进行了探求。图3A 中，模仿阵列采用了极小电极（顶级面积介于500-2000μm²之间），模型猜测的视觉光点显现出与开端试验数据共同的成果：相邻电极之间的光点无法被明晰区别。这一猜测与患者的预试验调查相符，标明当电极影响距离在0.4至1.85毫米之间时，不管是单个仍是多个电极的影响，都会发生形状不规矩的光点。这意味着，运用极小电极或许会一起影响到调谐方向相似的神经元集体，导致感知光点呈现出拉长或杂乱的结构。

图3B和3C进一步研讨了电极巨细对患者感知的影响。关于电流分散有限的小电极（影响的皮层安排半径小于0.25毫米），模型猜测发生的光点结构杂乱，如图3B上半部分所示，此刻电极的巨细对光点的外观或巨细影响甚微。当电极半径在0.25毫米到1毫米之间时，光点开端近似于“高斯斑”（Gaussian blob），但光点的巨细仍主要由感触野的巨细决议，而非影响区域的扩展规模。只要当电极半径超越1毫米时，电极的巨细才会显着影响光点的尺度。

要害是，模型标明在整个视觉范畴中，感触野对光点巨细施加了生理学上的“下限”。详细而言，将影响区域的半径缩小到0.5毫米以下，或许不会显着提高视力，反而或许导致光点变得难以解读。

▷图3. 运用“虚拟患者”猜测感知成果

(A) 显现了包括十分小的深度电极阵列的模仿感知。下左面板显现了阵列中电极的方位和巨细。右上面板显现了三个独自电极的示例感知。下面板显现了一起影响成对电极组合时的猜测成果。(B, C) 显现了不同电极巨细和皮层方位下的模仿猜测感知形状和巨细。面板C中的狭隘暗影区域标明5–95%的置信区间。

相同的，更多的电极能否带来更好的视力康复呢？

Ione Fine团队经过图4对三种不同电极阵列装备的感知成果进行了模仿，提醒了这一问题的杂乱性。

图4A展现了电极在视觉空间中进行规矩摆放的状况。这种摆放办法在中心凹区域（视网膜上担任高分辩率视力的区域）发生了稀少的小光点，显着轻视了该区域的感知才干。这意味着，尽管电极数量添加，但在中心凹区的光点散布不行密布，无法充分运用该区域的高分辩率潜力。

▷图4. 比较不同电极阵列装备的模仿 (A)视觉场中的电极规矩距离安置。(B) 皮层外表上的电极规矩距离安置。(C) ‘最佳’距离。

图4B则展现了电极在大脑皮层外表的规矩摆放。这种装备的问题在于，中心凹区域的电极过度会集，导致感触野之间呈现很多堆叠。成果，这些堆叠的感触野并未带来分辩率的实质性提高。事实上，在中心凹区域邻近的电极简直投射到同一视觉空间方位，使得即便电极方位有细小改变，光点的方位改变关于患者来说也是难以发觉的。这一发现挑战了传统观念，即以为V1中中心凹区域的广泛扩展能够支撑较高的空间方位采样才干。

图4C展现了一种“最佳”电极装备，即电极距离被规划为激起的光点中心距离与光点巨细坚持固定份额。因为感触野的巨细跟着视觉场的偏疼度线性添加，而皮层扩大效应则以对数办法改变，这种最佳装备在中心凹区域的电极散布比在周边区域更为疏松。成果标明，电极应在中心凹区域更为分散地安置，而不是密布摆放，这与常见的直觉相反。

Ione Fine团队的模仿成果标明，过度密布的电极摆放在中心凹区域并不利于提高感知分辩率。相反，依据神经生理学的束缚，合理散布电极的方位和距离，才干最大化视觉皮层假体的感知作用。

03 “虚拟患者”模型带来的启示

“虚拟患者”模型处理了视力康复开发中的根本问题——植入物在植入人体之前，无法猜测患者的感知体会。经过这一模型，研讨人员能够在无需实践植入的状况下，预见和评价不同电极规划和影响参数对视觉感知的影响。

此外，该模型还解说了一个要害性误区：添加电极的数量或减小电极的尺度，并不一定会带来更好的视觉感知作用。相反，乃至或许导致感知体会的杂乱化。

Ione Fine团队的模型提醒了束缚皮层植入物空间分辩率的三个主要因素：皮层扩大率、感触野结构和电极巨细。感触野巨细与皮层扩大率密切相关。在大部分皮层区域，感触野面积近似于皮层扩大率的负2/3次方，这解说了Bosking等人从前的调查，即患者制作的光幻视巨细能够经过皮层扩大率来猜测。在中心凹区域，皮层扩大率到达最大值，因而感触野巨细到达最小值，半径在0.02到0.5度之间。

数据和模仿成果标明，关于固定电极尺度，光幻视的巨细随偏疼率线性添加。关于半径小于0.25毫米的电极，这种线性联系主要是因为感触野巨细跟着偏疼率的添加而增大所造成的。只要在电极尺度较大时，皮层扩大率和受影响的皮层规模才会显着影响光幻视的巨细。

关于较小的电极，感触野的巨细成为束缚视觉明晰度的主要因素。假如能够挑选性地影响具有十分小感触野的神经元，那么在中心凹区域的电极距离能够更严密，然后完成更高的空间分辩率。可是，值得注意的是，人类能够分辩极端纤细的空间细节，这些细节远小于单个感触野的宽度。这些精密的空间区分才干依托于对具有不同感触野的神经元集体杂乱反响形式的解读，而不只是是依托单个神经元的感触野。

归纳而言，Ione Fine团队的模仿标明，未来可预见的时期内，视觉皮层假体的空间分辩率更或许遭到视觉皮层神经生理结构的束缚，而非只是是工程技能的束缚。这意味着，要提高视力康复的作用，研讨人员需求深化了解和运用视觉皮层的神经生理结构特性，而不只是是寻求更多或更小的电极规划。

04 现有“虚拟患者”模型缺少

“虚拟患者”模型的呈现改造了医学界对视网膜植入手术的认知。尽管建模技能早已用于模仿电影响对部分安排的影响，例如电极的电流分散，但假如不将虚拟模型扩展到根本生理学原理，就无法猜测感知成果。

Ione Fine团队的简略“虚拟患者”模型成功猜测了广泛的皮层电影响感知成果，标明它或许为未来的视网膜或视觉皮层植入物供给合理的感知成果近似值。这样一来，未来的研讨方向将会有更为牢靠的‘被试’数据作为研讨方向的辅导。

不过他们现有的模型还存在有待优化的空间。首要，现在模型运用电流起伏作为输入参数。理论上，更精确的办法是运用电流密度（电流强度除以电极面积），以更精确地反映电流在安排中的散布和作用作用。

其次，Ione Fine团队1假定电极与皮层外表齐平。在实践中，电极不太或许与外表齐平，乃至电极相关于皮层外表的细微歪斜都或许导致仅电极边际有效地驱动神经反响。

第三，模型应被视为一种近似模型，不适用于长时刻影响计划的推行。第四，模型未包括电场或非线性神经相互作用。第五，模型假定感知是每个感触野的简略平均值。另一种办法是假定每个神经元更适合经过其“最佳重构滤波器”来表征——即该细胞在神经集体中对天然图画重构的奉献。

最终，当时的模型仅包括V1皮层区域。因为皮层外表的构型，在较高层次的视觉区域（如V2或V3区域）植入电极要简单得多。模型中许多部分，包括从视觉空间到皮层外表的转化，都能够轻松推行到这些更高的视觉区域。模型也能够简单地扩展到包括V2或V3神经元感触野的模型。可是，V2-V3神经元感触野结构的杂乱性，加上缺少来自V2或V3电极的皮层影响数据，意味着现在对模型的任何此类推行都是十分估测性的。

05 未来展望

未来这些“虚拟患者”模型能够供给多种用处。关于研讨人员和公司来说，一方面，它们能够定量测验咱们是否对技能有全面的了解。因为搜集行为皮层数据的难度较大，模型驱动的办法能够有效地辅导哪些试验能够取得最有价值的见地，优化研讨资源的分配。

另一重要用处是猜测给定植入物或许发生的视觉质量。在本文中，Ione Fine团队在评价不同阵列装备时依托于对感知质量的定性评价。一种更严厉的办法是重视片面可解说性：经过让视力正常的个别运用模仿的假体视觉进行感知使命。或是运用模仿作为解码器的输入图画，该解码器经过练习以生成原始输入图画的重建，最近运用的皮层模仿器就相似于更杂乱模型中的一些现象。

最终，这些“虚拟患者”能够辅导新技能的开发。例如，如上所述，当时的模型反直觉地标明，在中心凹区域的小电极尺度和密布植入的优势有限。“虚拟患者”还能够用于生成深度学习根底的假体视觉优化练习集，旨在为现有植入物找到最佳影响形式。相似的视网膜影响模型现在正用于经过生成深度学习根底的预处理练习集，在虚拟实际环境中模仿和优化假体视觉。

关于FDA和医保等组织，这些模型能够供给评价设备时重要视觉测验的见地，协助拟定愈加合理和科学的评价规范，保证新式视觉康复技能的安全性和有效性。最终，关于外科医生和患者家庭，这些模型将供给更实际的感知成果预期。

参考文献：

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14. Fine, I. & Boynton, G. M. A virtual patient simulation modeling the neural and perceptual effects of human visual cortical stimulation, from pulse trains to percepts. Sci Rep 14, 17400 (2024).

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