文 | 追問(wèn)nextquestion
我常想，假如上帝給我三天光明，我最想看什么呢？或者我將怎樣享受這份幸福呢？當(dāng)我這樣想的時(shí)候，也請(qǐng)你想一下吧。請(qǐng)想想這個(gè)問(wèn)題，假定你也只有三天光明，那么你會(huì)怎樣使用你的眼睛，你最想讓你的目光停留在什么地方呢?——海倫·凱勒
生活在一個(gè)多彩的世界，我們總會(huì)痛惜海倫·凱勒失明的遭遇，并被她對(duì)明媚世界的無(wú)限憧憬所觸動(dòng)。而現(xiàn)實(shí)生活中，全球至少有22億人視力受損或失明。視覺(jué)皮層恢復(fù)技術(shù)的發(fā)展，特別是近年來(lái)視覺(jué)皮層假體的研究，為他們帶來(lái)了一線希望。然而，即便是恢復(fù)了視力，我們又如何確知他們所見(jiàn)的世界究竟如何呢？
雖然目前已有三項(xiàng)視覺(jué)皮層假體的臨床試驗(yàn)正在進(jìn)行（其中一項(xiàng)使用表面電極，由Second Sight Medical Products公司開(kāi)發(fā)的Orion1,2，另外兩項(xiàng)使用深部電極3,4），但對(duì)于假體植入后視力能恢復(fù)到何種程度，我們尚無(wú)法預(yù)測(cè)。神經(jīng)植入領(lǐng)域依然大量依賴直覺(jué)和經(jīng)驗(yàn)，這可能會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的直觀謬誤。
在最新發(fā)表于Scientific Reports的文章中5，華盛頓大學(xué)的Ione Fine 和Geoffrey M. Boynton描述了一種基于視覺(jué)皮層（V1）神經(jīng)生理結(jié)構(gòu)的“虛擬患者”模型，成功預(yù)測(cè)了參與者在廣泛的、已發(fā)表的人類皮層刺激研究中所產(chǎn)生的感知體驗(yàn)。模擬結(jié)果表明，更多的、更小的電極并不能保證更好的視力恢復(fù)。在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，皮層假體設(shè)備的感知質(zhì)量可能更多地受制于視覺(jué)皮層的神經(jīng)生理組織，而非技術(shù)限制。
01 現(xiàn)有視力恢復(fù)技術(shù)和難題
目前，全球正在緊鑼密鼓開(kāi)發(fā)各種視力恢復(fù)技術(shù)。至少有八個(gè)團(tuán)隊(duì)在開(kāi)發(fā)視網(wǎng)膜電子植入物，其中兩個(gè)設(shè)備已獲準(zhǔn)用于患者6–12，其他設(shè)備正在進(jìn)行臨床試驗(yàn)13。光遺傳學(xué)是另一項(xiàng)有前景的研究方向，初步結(jié)果顯示一項(xiàng)臨床試驗(yàn)報(bào)告了有限的視力恢復(fù)。Leber先天性黑矇的基因治療已經(jīng)獲得臨床批準(zhǔn)，許多其他基因治療正在開(kāi)發(fā)中。視網(wǎng)膜上皮和干細(xì)胞移植也在迅速進(jìn)展，幾項(xiàng)I/II期臨床試驗(yàn)正在進(jìn)行中。此外還有各種其他有前景的療法正在開(kāi)發(fā)中。
然而，所有這些療法都是視網(wǎng)膜干預(yù)，無(wú)法用于治療諸如視網(wǎng)膜脫離，或存在視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞或視神經(jīng)不可逆損傷的疾病，比如小兒先天性青光眼。這極大的引發(fā)了人們對(duì)通過(guò)修復(fù)大腦皮層視覺(jué)中樞來(lái)恢復(fù)視力的興趣。自2017年以來(lái)，已有三項(xiàng)視覺(jué)皮層假體的臨床試驗(yàn)啟動(dòng)。雖然這些臨床試驗(yàn)基于大量已有文獻(xiàn)（詳見(jiàn)表1），并且同時(shí)檢驗(yàn)了短期和長(zhǎng)期的皮層刺激的效果。但是，迄今為止，這一系列研究的結(jié)果幾乎完全是描述性的。
目前，我們不可能在視覺(jué)皮層假體植入人類之前預(yù)測(cè)其恢復(fù)視力情況。神經(jīng)植入領(lǐng)域仍依賴于直覺(jué)和經(jīng)驗(yàn)。例如，從直覺(jué)上來(lái)想，我們會(huì)認(rèn)為更多的、更小的電極能帶來(lái)更好的分辨率。然而實(shí)際情況真如此嗎？
?表1 描述人類皮層電刺激感知效果的論文
Ione Fine團(tuán)隊(duì)14通過(guò)建立基于V1區(qū)神經(jīng)生理結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型或“虛擬患者”，成功預(yù)測(cè)了多項(xiàng)已發(fā)表的人類皮層刺激的感知體驗(yàn)，包括電刺激所引起的人類感知的位置、大小和亮度、以及時(shí)空形狀，試圖在視覺(jué)皮層假體植入人類之前預(yù)測(cè)其所產(chǎn)生的感知體驗(yàn)。
02 “虛擬患者”解決數(shù)據(jù)不足問(wèn)題
基于之前對(duì)視網(wǎng)膜假體刺激的模型，Ione Fine團(tuán)隊(duì)提出了一套創(chuàng)新的理論框架。他們將皮層植入物中的電流進(jìn)行時(shí)間上的整合，并將其轉(zhuǎn)化為神經(jīng)信號(hào)的強(qiáng)度。具體而言，這一模型對(duì)神經(jīng)元群體進(jìn)行刺激而產(chǎn)生的感知，是基于每個(gè)細(xì)胞的感受野進(jìn)行的線性求和，并根據(jù)每個(gè)時(shí)刻該位置的神經(jīng)信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行加權(quán)獲得。盡管該模型在數(shù)學(xué)原理上簡(jiǎn)潔明了，且未經(jīng)過(guò)復(fù)雜的參數(shù)調(diào)整，卻成功預(yù)測(cè)了多種皮層刺激數(shù)據(jù)。
?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）從脈沖序列到感知強(qiáng)度的時(shí)間轉(zhuǎn)化
在模型的設(shè)計(jì)中，Ione Fine團(tuán)隊(duì)使用了一種快速的時(shí)間整合階段，這一階段通常被認(rèn)為反映了細(xì)胞對(duì)電流的即時(shí)整合過(guò)程，用以生成“尖峰活動(dòng)強(qiáng)度”的衡量指標(biāo)。他們進(jìn)一步假設(shè)了一個(gè)尖峰的不應(yīng)期，即細(xì)胞在一次激活后需要一段時(shí)間才能再次響應(yīng)刺激。緊接著，模型進(jìn)入一個(gè)較為緩慢的整合階段，并引入了壓縮非線性關(guān)系，如圖1所示。
為了實(shí)現(xiàn)這一過(guò)程，他們使用了一個(gè)簡(jiǎn)單且成熟的單階段泄漏積分器進(jìn)行建模。在這個(gè)積分器中，去極化速率與當(dāng)前的去極化水平及輸入電流成正比。這意味著，電流的變化會(huì)直接影響細(xì)胞的去極化速率。在模型的第一階段，輸出的“尖峰響應(yīng)強(qiáng)度”并不僅僅代表單個(gè)尖峰，而是反映了來(lái)自不同激活敏感性的細(xì)胞群體的尖峰募集情況。壓縮非線性關(guān)系不僅捕捉了這一細(xì)胞群體中的飽和現(xiàn)象，還體現(xiàn)了更為復(fù)雜的皮層增益控制機(jī)制的影響。
?圖1. 從脈沖序列到感知強(qiáng)度隨時(shí)間變化的轉(zhuǎn)換示意圖
（2）視覺(jué)主導(dǎo)柱、方向針輪和感受野
在初級(jí)視覺(jué)皮層（V1）中，存在著復(fù)雜而有序的神經(jīng)結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)決定了我們?nèi)绾胃兄吞幚硪曈X(jué)信息。圖2基于Rojer和Schwartz的工作，展示了這些結(jié)構(gòu)的模擬結(jié)果。其中對(duì)視覺(jué)方向敏感的方向柱（圖2B），是通過(guò)對(duì)隨機(jī)白噪聲信號(hào)進(jìn)行帶通濾波后得到的，其濾波后的角度反映了神經(jīng)元對(duì)不同方向的偏好。Ione Fine團(tuán)隊(duì)隨后擴(kuò)展了模型，加入了視覺(jué)主導(dǎo)柱（圖2C），這些主導(dǎo)柱是沿單一方向?qū)ν话自肼曅盘?hào)的梯度，從而形成了正交排列的視覺(jué)主導(dǎo)柱和方向柱。這些柱狀結(jié)構(gòu)與在獼猴和人類中實(shí)際測(cè)量到的視覺(jué)主導(dǎo)和方向柱圖譜高度相似。
單個(gè)感受野（圖2F）是視覺(jué)系統(tǒng)中負(fù)責(zé)接收和處理光信號(hào)的基本單位。它使用簡(jiǎn)單模型生成，通過(guò)加性組合“開(kāi)”和“關(guān)”子單元，子單元的空間分離來(lái)自單峰分布。用于生成方向和視覺(jué)主導(dǎo)圖的同一帶通濾波白噪聲，也用于生成控制“開(kāi)”與“關(guān)”感受野分離（δon–off）和“開(kāi)”與“關(guān)”感受野相對(duì)強(qiáng)度（won-off）的圖。
預(yù)測(cè)的光點(diǎn)是通過(guò)將每個(gè)皮層位置感受野的輪廓線性相加，并根據(jù)該位置的電刺激強(qiáng)度進(jìn)行加權(quán)生成的。這意味著，電極位置的刺激強(qiáng)度直接決定了感知到的光點(diǎn)的亮度和大小。
?圖2. 皮層模型示意圖
(A) 從視覺(jué)空間到皮層表面的變換。(B) 方向針輪圖。(C) 眼位優(yōu)勢(shì)列。(D) ON和OFF亞單位空間分離。(E) ON與OFF相對(duì)強(qiáng)度。(F) 感受野大小。
（3）光幻視閾值和亮度作為電刺激時(shí)間特性的函數(shù)
Ione Fine團(tuán)隊(duì)將模型預(yù)測(cè)與各種脈沖序列中測(cè)量的電流幅度閾值和亮度評(píng)級(jí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，該模型能夠準(zhǔn)確地描述脈沖序列如何隨著時(shí)間變化轉(zhuǎn)化為感知強(qiáng)度，從而成功預(yù)測(cè)了在各種脈沖參數(shù)、電極位置和電極尺寸條件下的光幻視閾值和亮度評(píng)級(jí)。這意味著，無(wú)論電刺激的頻率、脈沖寬度或電極的具體位置和大小如何變化，模型都能可靠地預(yù)估出患者的感知體驗(yàn)。
光幻視閾值指的是產(chǎn)生可見(jiàn)光點(diǎn)所需的最小電流強(qiáng)度，而亮度評(píng)級(jí)則是患者對(duì)產(chǎn)生的光點(diǎn)亮度的主觀評(píng)價(jià)。
（4）光幻視大小與電流幅度和偏心率的關(guān)系
除此之外，Ione Fine團(tuán)隊(duì)1的模型也成功地預(yù)測(cè)了光幻視大小如何隨著電流幅度和視覺(jué)場(chǎng)的偏心率而變化。研究發(fā)現(xiàn)，隨著電流幅度的增加，光幻視的大小也隨之增大，這與患者的實(shí)際感知數(shù)據(jù)高度相關(guān)。這表明，電流幅度是決定光點(diǎn)大小的關(guān)鍵因素之一。模型還顯示，光幻視的大小隨著視覺(jué)場(chǎng)偏心率的增加而增大。這意味著，位于視野邊緣的電刺激會(huì)產(chǎn)生比中央更大的光點(diǎn)。
（5）形狀識(shí)別
在研究中，團(tuán)隊(duì)比較了同時(shí)刺激和按順序刺激兩種不同的電刺激方式所產(chǎn)生的感知體驗(yàn)。結(jié)果顯示，當(dāng)多個(gè)電極同時(shí)被刺激時(shí)，模型無(wú)法正確識(shí)別出完整的字母形狀，這與患者的實(shí)際體驗(yàn)一致。然而，當(dāng)電極按照書(shū)寫(xiě)順序依次刺激時(shí)，模型能夠準(zhǔn)確地識(shí)別出字母形狀。這一發(fā)現(xiàn)揭示了一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：同時(shí)刺激時(shí)，感知的光點(diǎn)難以被正確分組和解釋，而按順序刺激則能夠形成可辨認(rèn)的形狀。
這種現(xiàn)象可能源于“格式塔”效應(yīng)的失敗。格式塔心理學(xué)強(qiáng)調(diào)整體大于部分之和，說(shuō)明我們的感知系統(tǒng)傾向于將散布的光點(diǎn)整合成有意義的整體。然而，由于模型中未包含電場(chǎng)或復(fù)雜的神經(jīng)時(shí)空交互，同時(shí)刺激時(shí)，光點(diǎn)無(wú)法被正確分組，導(dǎo)致形狀識(shí)別的困難。而順序刺激則通過(guò)時(shí)間上的分離，減少了光點(diǎn)之間的干擾，使得感知系統(tǒng)能夠更有效地整合信息，正確識(shí)別出形狀。
（6）使用“虛擬患者”預(yù)測(cè)新設(shè)備的感知結(jié)果
Ione Fine團(tuán)隊(duì)的模型能夠復(fù)制如此廣泛的數(shù)據(jù)，表明它可以提供對(duì)新技術(shù)可能的感知體驗(yàn)的洞察——這正是“虛擬患者”模型的重要用途之一。
圖3使用“虛擬患者”模型對(duì)不同大小電極可能產(chǎn)生的感知體驗(yàn)進(jìn)行了探究。圖3A 中，模擬陣列采用了極小電極（尖端面積介于500-2000μm2之間），模型預(yù)測(cè)的視覺(jué)光點(diǎn)顯示出與初步實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)一致的結(jié)果：相鄰電極之間的光點(diǎn)無(wú)法被清晰區(qū)分。這一預(yù)測(cè)與患者的預(yù)實(shí)驗(yàn)觀察相符，表明當(dāng)電極刺激間隔在0.4至1.85毫米之間時(shí)，無(wú)論是單個(gè)還是多個(gè)電極的刺激，都會(huì)產(chǎn)生形狀不規(guī)則的光點(diǎn)。這意味著，使用極小電極可能會(huì)同時(shí)刺激到調(diào)諧方向相似的神經(jīng)元群體，導(dǎo)致感知光點(diǎn)呈現(xiàn)出拉長(zhǎng)或復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。
圖3B和3C進(jìn)一步研究了電極大小對(duì)患者感知的影響。對(duì)于電流擴(kuò)散有限的小電極（刺激的皮層組織半徑小于0.25毫米），模型預(yù)測(cè)產(chǎn)生的光點(diǎn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如圖3B上半部分所示，此時(shí)電極的大小對(duì)光點(diǎn)的外觀或大小影響甚微。當(dāng)電極半徑在0.25毫米到1毫米之間時(shí)，光點(diǎn)開(kāi)始近似于“高斯斑”（Gaussian blob），但光點(diǎn)的大小仍主要由感受野的大小決定，而非刺激區(qū)域的擴(kuò)展范圍。只有當(dāng)電極半徑超過(guò)1毫米時(shí)，電極的大小才會(huì)顯著影響光點(diǎn)的尺寸。
關(guān)鍵是，模型表明在整個(gè)視覺(jué)領(lǐng)域中，感受野對(duì)光點(diǎn)大小施加了生理學(xué)上的“下限”。具體而言，將刺激區(qū)域的半徑縮小到0.5毫米以下，可能不會(huì)顯著提升視力，反而可能導(dǎo)致光點(diǎn)變得難以解讀。
?圖3. 使用“虛擬患者”預(yù)測(cè)感知結(jié)果
(A) 顯示了包含非常小的深度電極陣列的模擬感知。下左面板顯示了陣列中電極的位置和大小。右上面板顯示了三個(gè)單獨(dú)電極的示例感知。下面板顯示了同時(shí)刺激成對(duì)電極組合時(shí)的預(yù)測(cè)結(jié)果。(B, C) 顯示了不同電極大小和皮層位置下的模擬預(yù)測(cè)感知形狀和大小。面板C中的狹窄陰影區(qū)域表示5–95%的置信區(qū)間。
同樣的，更多的電極能否帶來(lái)更好的視力恢復(fù)呢？
Ione Fine團(tuán)隊(duì)通過(guò)圖4對(duì)三種不同電極陣列配置的感知結(jié)果進(jìn)行了模擬，揭示了這一問(wèn)題的復(fù)雜性。
圖4A展示了電極在視覺(jué)空間中進(jìn)行規(guī)則排列的情況。這種排列方式在中央凹區(qū)域（視網(wǎng)膜上負(fù)責(zé)高分辨率視力的區(qū)域）產(chǎn)生了稀疏的小光點(diǎn)，明顯低估了該區(qū)域的感知能力。這意味著，盡管電極數(shù)量增加，但在中央凹區(qū)的光點(diǎn)分布不夠密集，無(wú)法充分利用該區(qū)域的高分辨率潛力。
?圖4. 比較不同電極陣列配置的模擬 (A)視覺(jué)場(chǎng)中的電極規(guī)則間隔布置。(B) 皮層表面上的電極規(guī)則間隔布置。(C) ‘最佳’間隔。
圖4B則展示了電極在大腦皮層表面的規(guī)則排列。這種配置的問(wèn)題在于，中央凹區(qū)域的電極過(guò)度集中，導(dǎo)致感受野之間出現(xiàn)大量重疊。結(jié)果，這些重疊的感受野并未帶來(lái)分辨率的實(shí)質(zhì)性提升。事實(shí)上，在中央凹區(qū)域附近的電極幾乎投射到同一視覺(jué)空間位置，使得即使電極位置有微小變化，光點(diǎn)的位置變化對(duì)于患者來(lái)說(shuō)也是難以察覺(jué)的。這一發(fā)現(xiàn)挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)觀點(diǎn)，即認(rèn)為V1中中央凹區(qū)域的廣泛擴(kuò)展能夠支持較高的空間位置采樣能力。
圖4C展示了一種“最佳”電極配置，即電極間隔被設(shè)計(jì)為激發(fā)的光點(diǎn)中心間距與光點(diǎn)大小保持固定比例。由于感受野的大小隨著視覺(jué)場(chǎng)的偏心度線性增加，而皮層放大效應(yīng)則以對(duì)數(shù)方式變化，這種最佳配置在中央凹區(qū)域的電極分布比在周邊區(qū)域更為疏松。結(jié)果表明，電極應(yīng)在中央凹區(qū)域更為分散地布置，而不是密集排列，這與常見(jiàn)的直覺(jué)相反。
Ione Fine團(tuán)隊(duì)的模擬結(jié)果表明，過(guò)度密集的電極排列在中央凹區(qū)域并不利于提升感知分辨率。相反，基于神經(jīng)生理學(xué)的約束，合理分布電極的位置和間隔，才能最大化視覺(jué)皮層假體的感知效果。
03 “虛擬患者”模型帶來(lái)的啟示
“虛擬患者”模型解決了視力恢復(fù)開(kāi)發(fā)中的根本問(wèn)題——植入物在植入人體之前，無(wú)法預(yù)測(cè)患者的感知體驗(yàn)。通過(guò)這一模型，研究人員能夠在無(wú)需實(shí)際植入的情況下，預(yù)見(jiàn)和評(píng)估不同電極設(shè)計(jì)和刺激參數(shù)對(duì)視覺(jué)感知的影響。
該模型還解釋了一個(gè)關(guān)鍵性誤區(qū)：增加電極的數(shù)量或減小電極的尺寸，并不一定會(huì)帶來(lái)更好的視覺(jué)感知效果。相反，甚至可能導(dǎo)致感知體驗(yàn)的復(fù)雜化。
Ione Fine團(tuán)隊(duì)的模型揭示了限制皮層植入物空間分辨率的三個(gè)主要因素：皮層放大率、感受野結(jié)構(gòu)和電極大小。感受野大小與皮層放大率密切相關(guān)。在大部分皮層區(qū)域，感受野面積近似于皮層放大率的負(fù)2/3次方，這解釋了Bosking等人先前的觀察，即患者繪制的光幻視大小可以通過(guò)皮層放大率來(lái)預(yù)測(cè)。在中央凹區(qū)域，皮層放大率達(dá)到最大值，因此感受野大小達(dá)到最小值，半徑在0.02到0.5度之間。
數(shù)據(jù)和模擬結(jié)果表明，對(duì)于固定電極尺寸，光幻視的大小隨偏心率線性增加。對(duì)于半徑小于0.25毫米的電極，這種線性關(guān)系主要是由于感受野大小隨著偏心率的增加而增大所致。只有在電極尺寸較大時(shí)，皮層放大率和受刺激的皮層范圍才會(huì)顯著影響光幻視的大小。
對(duì)于較小的電極，感受野的大小成為限制視覺(jué)清晰度的主要因素。如果能夠選擇性地刺激具有非常小感受野的神經(jīng)元，那么在中央凹區(qū)域的電極間距可以更緊密，從而實(shí)現(xiàn)更高的空間分辨率。然而，值得注意的是，人類能夠分辨極其細(xì)微的空間細(xì)節(jié)，這些細(xì)節(jié)遠(yuǎn)小于單個(gè)感受野的寬度。這些精細(xì)的空間辨別能力依賴于對(duì)具有不同感受野的神經(jīng)元群體復(fù)雜反應(yīng)模式的解讀，而不僅僅是依靠單個(gè)神經(jīng)元的感受野。
綜合而言，Ione Fine團(tuán)隊(duì)的模擬表明，未來(lái)可預(yù)見(jiàn)的時(shí)期內(nèi)，視覺(jué)皮層假體的空間分辨率更可能受到視覺(jué)皮層神經(jīng)生理結(jié)構(gòu)的限制，而非僅僅是工程技術(shù)的限制。這意味著，要提升視力恢復(fù)的效果，研究人員需要深入理解和利用視覺(jué)皮層的神經(jīng)生理結(jié)構(gòu)特性，而不僅僅是追求更多或更小的電極設(shè)計(jì)。
04 現(xiàn)有“虛擬患者”模型不足
“虛擬患者”模型的出現(xiàn)革新了醫(yī)學(xué)界對(duì)視網(wǎng)膜植入手術(shù)的認(rèn)知。雖然建模技術(shù)早已用于模擬電刺激對(duì)局部組織的影響，例如電極的電流擴(kuò)散，但如果不將虛擬模型擴(kuò)展到基本生理學(xué)原理，就無(wú)法預(yù)測(cè)感知結(jié)果。
Ione Fine團(tuán)隊(duì)的簡(jiǎn)單“虛擬患者”模型成功預(yù)測(cè)了廣泛的皮層電刺激感知結(jié)果，表明它可能為未來(lái)的視網(wǎng)膜或視覺(jué)皮層植入物提供合理的感知結(jié)果近似值。這樣一來(lái)，未來(lái)的研究方向?qū)?huì)有更為可靠的‘被試’數(shù)據(jù)作為研究方向的指導(dǎo)。
不過(guò)他們現(xiàn)有的模型還存在有待優(yōu)化的空間。首先，目前模型使用電流幅度作為輸入?yún)?shù)。理論上，更準(zhǔn)確的方法是使用電流密度（電流強(qiáng)度除以電極面積），以更精確地反映電流在組織中的分布和作用效果。
其次，Ione Fine團(tuán)隊(duì)1假設(shè)電極與皮層表面齊平。在實(shí)踐中，電極不太可能與表面齊平，甚至電極相對(duì)于皮層表面的輕微傾斜都可能導(dǎo)致僅電極邊緣有效地驅(qū)動(dòng)神經(jīng)反應(yīng)。
第三，模型應(yīng)被視為一種近似模型，不適用于長(zhǎng)時(shí)間刺激方案的推廣。第四，模型未包含電場(chǎng)或非線性神經(jīng)相互作用。第五，模型假設(shè)感知是每個(gè)感受野的簡(jiǎn)單平均值。另一種方法是假設(shè)每個(gè)神經(jīng)元更適合通過(guò)其“最佳重構(gòu)濾波器”來(lái)表征——即該細(xì)胞在神經(jīng)群體中對(duì)自然圖像重構(gòu)的貢獻(xiàn)。
最后，當(dāng)前的模型僅包括V1皮層區(qū)域。由于皮層表面的構(gòu)型，在較高層次的視覺(jué)區(qū)域（如V2或V3區(qū)域）植入電極要容易得多。模型中許多部分，包括從視覺(jué)空間到皮層表面的轉(zhuǎn)換，都可以輕松推廣到這些更高的視覺(jué)區(qū)域。模型也可以容易地?cái)U(kuò)展到包含V2或V3神經(jīng)元感受野的模型。然而，V2-V3神經(jīng)元感受野結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，加上缺乏來(lái)自V2或V3電極的皮層刺激數(shù)據(jù)，意味著目前對(duì)模型的任何此類推廣都是非常推測(cè)性的。
05 未來(lái)展望
未來(lái)這些“虛擬患者”模型可以提供多種用途。對(duì)于研究人員和公司來(lái)說(shuō)，一方面，它們可以定量測(cè)試我們是否對(duì)技術(shù)有全面的理解。由于收集行為皮層數(shù)據(jù)的難度較大，模型驅(qū)動(dòng)的方法能夠有效地指導(dǎo)哪些實(shí)驗(yàn)?zāi)軌颢@得最有價(jià)值的見(jiàn)解，優(yōu)化研究資源的分配。
另一重要用途是預(yù)測(cè)給定植入物可能產(chǎn)生的視覺(jué)質(zhì)量。在本文中，Ione Fine團(tuán)隊(duì)在評(píng)估不同陣列配置時(shí)依賴于對(duì)感知質(zhì)量的定性評(píng)估。一種更嚴(yán)格的方法是關(guān)注主觀可解釋性：通過(guò)讓視力正常的個(gè)體使用模擬的假體視覺(jué)進(jìn)行感知任務(wù)。或是使用模擬作為解碼器的輸入圖像，該解碼器經(jīng)過(guò)訓(xùn)練以生成原始輸入圖像的重建，最近使用的皮層模擬器就類似于更復(fù)雜模型中的一些現(xiàn)象。
最后，這些“虛擬患者”可以指導(dǎo)新技術(shù)的開(kāi)發(fā)。例如，如上所述，當(dāng)前的模型反直覺(jué)地表明，在中央凹區(qū)域的小電極尺寸和密集植入的優(yōu)勢(shì)有限?！疤摂M患者”還可以用于生成深度學(xué)習(xí)基礎(chǔ)的假體視覺(jué)優(yōu)化訓(xùn)練集，旨在為現(xiàn)有植入物找到最佳刺激模式。類似的視網(wǎng)膜刺激模型目前正用于通過(guò)生成深度學(xué)習(xí)基礎(chǔ)的預(yù)處理訓(xùn)練集，在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中模擬和優(yōu)化假體視覺(jué)。
對(duì)于FDA和醫(yī)保等機(jī)構(gòu)，這些模型可以提供評(píng)估設(shè)備時(shí)重要視覺(jué)測(cè)試的見(jiàn)解，幫助制定更加合理和科學(xué)的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，確保新型視覺(jué)恢復(fù)技術(shù)的安全性和有效性。最后，對(duì)于外科醫(yī)生和患者家庭，這些模型將提供更現(xiàn)實(shí)的感知結(jié)果預(yù)期。
參考文獻(xiàn)：
1. Beauchamp, M. S. et al. Dynamic Stimulation of Visual Cortex Produces Form Vision in Sighted and Blind Humans. Cell 181, 774-783.e5 (2020).
2. Bosking, W. H. et al. Saturation in phosphene size with increasing current levels delivered to human visual cortex. Journal of Neuroscience 37, 7188–7197 (2017).
3. Gabel, V. P. Artifi Cial Vision A Clinical Guide.
4. Fernández, E. et al. Visual percepts evoked with an intracortical 96-channel microelectrode array inserted in human occipital cortex. Journal of Clinical Investigation 131, (2021).
5. 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).
6. da Cruz, L. et al. Five-Year Safety and Performance Results from the Argus II Retinal Prosthesis System Clinical Trial. Ophthalmology 123, (2016).
7. Stingl, K. et al. Subretinal Visual Implant Alpha IMS - Clinical trial interim report. Vision Res 111, (2015).
8. Ayton, L. N. et al. First-in-human trial of a novel suprachoroidal retinal prosthesis. PLoS One 9, (2014).
9. Lorach, H. et al. Photovoltaic restoration of sight with high visual acuity. Nat Med 21, (2015).
10. Fujikado, T. et al. One-year outcome of 49-channel suprachoroidal–transretinal stimulation prosthesis in patients with advanced retinitis pigmentosa. Invest Ophthalmol Vis Sci 57, (2016).
11. Saunders, A. L. et al. Development of a surgical procedure for implantation of a prototype suprachoroidal retinal prosthesis. Clin Exp Ophthalmol 42, (2014).
12. Sommerhalder, J. & Pérez Fornos, A. Artificial Vision A Clinical Guide. Artificial Vision (2017).
13. Palanker, D., Le Mer, Y., Mohand-Said, S. & Sahel, J. A. Simultaneous perception of prosthetic and natural vision in AMD patients. Nat Commun 13, (2022).
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).
