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用仿生眼恢复视力:不再是科幻小说

Bionic vision

(Yuichiro Chino / Getty)

仿生视觉听起来可能像科幻小说,但迈克尔·贝耶勒博士正致力于此。

贝耶勒博士原籍瑞士,目前正在华盛顿大学(University of Washington)完成博士后研究工作。今年秋天,他将前往加州大学圣巴巴拉分校(University of California Santa Barbara),领导计算机科学和心理&学系新成立的仿生视觉实验室大脑科学。

我们和他谈论了这种“对大脑的深深迷恋”,以及他如何希望他的工作最终能够恢复盲人的视力。以下是经过编辑和浓缩的对话节选。

贝耶勒博士,给我们介绍一下“神经工程”领域的概况,这将在未来引领仿生视觉。
[MB]神经工程是一个新兴的跨学科领域,旨在设计能够与大脑交互的设备。有点像大脑植入,但不那么恐怖。(笑)

人类大脑大约有1000亿个神经细胞,或者说神经元,以及它们之间数以万亿计的连接,组成了不同的大脑区域,每个区域都支持一项特定的任务;例如,处理视觉或听觉信息,做出决策,或者从A点到b点,你可以想象,理解这些神经回路是如何产生感知和行动的,需要把神经科学、工程学、计算机科学和统计学等不同学科的技能结合起来。

解释这些BMIs如何在你的领域工作。我用它们来提升情绪,但与视觉状态无关。
正确。“脑-机接口”既可用于治疗神经和精神疾病,也可用于理解大脑功能,现在工程师们已经开发出利用电流、光线、超声波和磁场操纵这些神经回路的方法。值得注意的是,我们可以通过激活运动皮层中的正确神经元来让手指、手臂甚至腿动起来。同样,我们可以激活视觉皮层的神经元,让人们看到闪光。前者使我们能够治疗帕金森病和癫痫等神经疾病,而后者最终应能使我们恢复盲人的视力。

很神奇的。目前这个领域有哪些设备?视觉假肢或仿生眼的想法不再是科幻小说了。你可能听说过这种设备,它是由一家名为“第二视力”的公司开发的,在美国、欧洲和一些亚洲国家都可以买到。它是为那些因视网膜退行性疾病,如视网膜色素变性和黄斑变性而失明的人准备的。

现在有多少人做视网膜假体?
我相信现在全球有300多名Argus II的用户,制造商Second Sight也刚刚开始植入猎户座,这是一种完全跳过眼睛,直接与视觉皮层连接的设备。除此之外,我们还在焦急地等待PRIMA的初步结果。PRIMA是斯坦福大学开发的一种新的视网膜下设备,由一家名为Pixium Vision的法国公司商业化。

所以这是一个正在成长的领域?
肯定。事实上,全球还有30多台设备正在研发中。总的来说,在未来的十年里,应该会有各种各样的视力恢复技术。

Dr. Michael Beyeler testing

(一位戴着Argus II眼镜的女士测试了拜尔博士的系统)

为了清楚起见,请解释当前系统是如何工作的。
当个体由于不同的疾病,不再有光感受器(眼睛后部的聚光细胞)时,我们的想法是用一个模拟它们功能的微电极阵列来取代这些细胞。Argus II的用户还戴着一副内置小摄像头的眼镜,因此摄像头的视觉输入可以转换成一系列电脉冲,植入物将这些电脉冲传送到眼睛的神经回路。对大多数患者来说,Argus II提供了“手指计数”级别的视觉——人们可以区分光和黑暗背景,并看到运动,但他们的视力模糊,往往很难解释。不幸的是,以目前的技术来看,要想模拟眼睛和视觉皮层中的神经代码,让大脑误以为看到了有意义的东西,是非常困难的。这就是我的切入点。

我的目标基本上是理解如何从相机输入到电刺激,并提出一个视觉系统可以解释的代码。这不仅需要对基础神经科学的深刻理解,也需要设计一个可行的实时解决方案的技术技能。

怎么做呢?使用来自计算机科学、神经科学和认知心理学的工具。例如,我们提出数学方程来描述单个神经元对电刺激的反应。我们还进行简单的心理物理实验,比如让Argus II的用户画出他们在刺激不同电极时看到的东西。然后,我们利用这些实验的洞见开发软件包,预测人们应该看到的任何给定的电刺激模式,这可以被设备制造商用来使这些设备提供的人工视觉对用户更具解释性。

你关注的是仿生(人工)而不是仿生学(自然)视觉吗?是的,因为与其专注于“自然”视觉,我们不如考虑一下如何创造“实用”和“有用”的人工视觉。我们在这里有一个真正的机会,利用盲人现有的神经回路,增强他们的视觉感官,就像谷歌玻璃或。例如,让物体离得越近就显得越亮,使用计算机视觉来标记安全路径,并将其与GPS结合起来给出视觉方向,警告用户他们周围即将发生的危险,甚至使用红外传感器来扩大“可见”光的范围。一旦生成的人工视觉的质量达到一定的阈值,就有许多令人兴奋的途径可以追求。

在实践层面上,您如何在研究中使用技术?由于我们没有开发自己的植入物,我们经常与不同的设备制造商合作。最近,我们一直在广泛使用Argus II,它自带相当复杂的软件开发工具包。第二视力一直与我们密切相关,它不仅能让我们接近病人,还能忍受我们不断唠叨的要求,让我们对软件做一些小修改,这样我们就能实地测试我们的疯狂理论。最后,这些合作应该对双方都是双赢的,理想的情况是用数据交换insight。

你在工作中还使用哪些工具和软件?
领域目前由不同的设备制造商主导,他们(可以理解)可以非常保护自己的知识产权。然而,在我看来,重要的是提供一个中立的学术声音促进工具和资源,这是所有人都可以得到的。因此,我们非常重视开放科学实践。

你开发了一些开源项目,对吧?是的,本着这种精神,我们是第一个将我们的仿真引擎pulse2percept作为一个开源Python包来开发的。脉冲感知的目的是预测病人应该看到的任何输入刺激。有趣的是,这种方法已经引起了第二视力和Pixium Vision的注意,他们表示有兴趣使用我们的软件来预测他们的病人看到了什么。在未来,我的目标是在其他设备可用时将该软件应用于它们。

是什么让你从瑞士来到美国的?
我最初是苏黎世的一名电气工程师,因为我一直对事物的工作原理很感兴趣,但我对大脑本身也越来越感兴趣,意识到我作为一名电气工程师的技能可以直接转化为对大脑工作原理的理解。我可以学习信号处理、网络理论和信息论,通过生物医学工程和神经科学,研究大脑启发的神经网络和机器人,利用所有这些概念做一些真正有用的事情。这就是为什么我最终来到加州大学欧文分校继续我的学业,攻读我的博士学位。我只打算来美国待九个月左右。

十年后你还在这里。
(笑)。

回到你今天的研究:谁是你的主要支持者?如果没有华盛顿研究基金会和戈登基金会的大力支持,我最近的工作是不可能完成的贝蒂·摩尔基金会和阿尔弗雷德·p·斯隆基金会。除此之外,我还很幸运地获得了美国国立卫生研究院(NIH)国家眼科研究所颁发的K99通路独立奖。这是一笔享有盛誉的五年助学金,旨在帮助我顺利过渡到成立自己的研究小组,成为一名助理教授。

你即将加入计算机科学和心理学系加州大学圣巴巴拉分校的脑科学和build a,这是一个很酷的名字。是的,我对这个机会非常兴奋。目前有很多临床研究小组在研究致盲性退行性疾病的影响,还有一些生物医学小组在设计新设备。但是,没有人真正关注改进这些设备与人类视觉系统本身交互的代码的新方法和算法。我们的团队将是一个跨学科的努力,试图将神经科学的见解与计算机科学和工程学结合起来,构建更智能的脑-机接口,并想出新的方法来最大化人工视觉的实用性。

最后,你最初是如何对这个领域产生兴趣的?对我来说,这是一个终极的科学探索,它有治愈失明的潜力。最后,一切都回到对大脑的深深迷恋上——这是一块神秘的肉,它比一个灯泡还省电,能让我们有意识地感知世界。大脑到底是怎么做到的?

当你仔细想想,你会发现这很不寻常。
可能是仅存的最大的科学谜团之一。还有什么更好的方法来测试我们对大脑的理解呢?我的意思是,进入这个复杂电路的技术即将到来,这是无可避免的,它将允许我们操纵我们的感知,我们的决定,我们的行动。我们最好开始思考如何更好地利用这些力量。

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七月
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