盲人感知磷光现象的神经相关性：迈向双向皮层视觉假体的重要一步

《SCIENCE ADVANCES》：Neural correlates of phosphene perception in blind individuals: A step toward a bidirectional cortical visual prosthesis

皮质视觉假体通过双向神经反馈实现感知调控，研究植入100电极阵列的盲人志愿者，发现神经活动可准确预测光斑感知阈值（R=0.71）、亮度（R=0.87）及多光斑分离时间（R=0.72），并揭示邻近电极活动与刺激参数的动态关联。

　　这项研究聚焦于通过大脑皮层植入电极阵列，探索如何利用神经活动来预测和控制盲人个体的视觉感知。在当前的神经工程和神经假肢领域，恢复失明者功能性视觉一直是一个重要的研究方向。传统上，许多研究采用的是单向刺激方式，即通过电极向大脑传递信息，而没有对神经反馈进行实时处理。这种模式虽然在一定程度上能够引发视觉感知（即磷光现象），但难以精确控制每个感知单元的特性，如感知阈值、感知亮度以及区分多个刺激所需的最小时间间隔。因此，研究者们一直在寻求一种更先进的方法，以实现对视觉感知的更精细控制。

本研究的创新之处在于引入了一种闭环系统，即在对视觉皮层进行电刺激的同时，记录神经活动，从而建立刺激与感知之间的反馈机制。通过这种方式，研究人员能够利用神经活动来推断感知的特性，进而实现对视觉感知的动态调整。这种双向通信策略不仅提升了视觉假肢的适应性和个性化能力，还为未来的临床应用提供了新的可能性。研究团队在两名完全失明的志愿者身上进行了实验，植入了包含100个电极的微电极阵列（Utah Electrode Array, UEA），并持续进行刺激与记录实验，为期6个月。

在实验过程中，研究人员通过调整刺激参数（如电流强度、脉冲宽度、频率和刺激持续时间），观察志愿者对刺激的感知反应。通过心理计量曲线（psychometric curves）分析，他们发现志愿者的感知阈值可以通过神经活动进行准确预测。例如，在刺激频率、脉冲数量和刺激持续时间保持不变的情况下，通过改变单个脉冲的电荷量，可以确定感知发生的临界值。研究结果表明，神经活动与感知阈值之间存在显著的相关性，这使得研究人员能够在不依赖志愿者主观反馈的情况下，自动调整刺激参数，以达到最佳的感知效果。

除了感知阈值，研究还探讨了刺激参数对感知亮度的影响。通过调整频率和刺激持续时间，研究人员发现不同的刺激参数组合能够引发不同亮度的感知。这一发现对于优化视觉假肢的输出至关重要，因为亮度是视觉感知的重要组成部分。在实验中，志愿者被要求对感知的亮度进行评分，评分范围为0到5分。研究团队发现，感知亮度与神经活动之间存在高度相关性，尤其是在刺激后的时间窗口内（如20到300毫秒）。这种相关性不仅适用于单个电极的刺激，也适用于多个电极的组合刺激，说明神经活动能够反映整个刺激区域的感知特性。

此外，研究还评估了感知数量的区分能力。研究人员通过改变两次刺激之间的间隔时间，观察志愿者是否能够感知到两个独立的磷光现象。结果表明，随着两次刺激之间的时间间隔增加，志愿者感知两个独立磷光的概率也随之上升。这种现象被归因于大脑在刺激后的适应性变化，即神经活动在第二次刺激时会受到前一次刺激的影响。因此，通过分析第二次刺激期间的神经活动，研究人员能够更准确地预测感知的数量，并据此调整刺激间隔，以提高感知的清晰度。

研究结果不仅为未来视觉假肢的开发提供了重要的理论支持，也展示了闭环系统在神经工程中的巨大潜力。传统的单向刺激方法往往需要依赖志愿者的主观反馈，这不仅耗时费力，还可能影响刺激效果的稳定性。而闭环系统通过实时监测神经活动，能够动态调整刺激参数，从而实现更精确、更个性化的视觉感知。这种策略不仅可以减少手动调整的繁琐过程，还能提高视觉假肢在长期使用中的适应性和可靠性。

从临床角度来看，这项研究的意义在于为未来视觉假肢的自动化和个性化控制提供了新的方向。当前的视觉假肢大多需要在安装后进行复杂的校准，以确保刺激参数能够满足用户的视觉需求。然而，这种校准过程通常需要用户反复反馈，这在实际应用中可能并不总是可行。闭环系统则能够在没有用户主动反馈的情况下，自动调整刺激参数，从而减少用户的负担，提高设备的使用效率。

研究团队还发现，神经活动不仅能够预测感知阈值和亮度，还能反映感知数量的变化。这表明，通过分析神经活动，可以实现对多个感知单元的精确控制，而不仅仅是单个单元。这种能力对于构建更复杂的视觉感知系统至关重要，因为未来视觉假肢的目标不仅是恢复基本的视觉感知，还希望用户能够识别物体、理解场景，甚至进行导航等更高级的视觉任务。

在实验设计方面，研究人员采用了多种方法来确保数据的准确性和可靠性。首先，他们使用了先进的神经记录设备，能够以高频率（30 kHz）记录神经信号，并通过特定的滤波和处理方法去除刺激引起的干扰（artifact）。其次，他们采用了标准化的心理计量实验，以评估不同刺激参数对感知的影响。这种实验方法不仅能够提供客观的感知数据，还能帮助研究人员建立刺激与感知之间的定量关系。

值得注意的是，这项研究的参与者均为失明多年、且无光感知能力的个体。这使得实验结果更具临床相关性，因为这些个体的视觉系统已经发生了显著的变化，而传统方法可能无法准确预测其感知特性。通过植入电极阵列并记录神经活动，研究人员能够更全面地了解这些个体的神经响应，并据此优化刺激参数。

研究结果还揭示了神经活动与感知之间的非线性关系。例如，在某些情况下，刺激参数的变化对感知亮度的影响并不简单地与参数值成正比，而是受到多种因素的共同作用。这种复杂性使得研究人员需要采用更精细的分析方法，如回归分析，来评估不同参数对感知亮度的影响。通过这种方法，他们发现频率、刺激持续时间和脉冲数量之间的相互作用对感知亮度有重要影响，而不仅仅是单个参数的作用。

此外，研究还探讨了神经活动的空间分布对感知的影响。例如，电极位置与感知亮度之间的相关性随着距离的增加而减弱，这表明靠近刺激电极的神经活动对感知的贡献更大。这一发现对于优化电极布局和刺激策略具有重要意义，因为它可以帮助研究人员更有效地选择刺激电极，并减少对非目标区域的干扰。

总的来说，这项研究为视觉假肢的未来发展提供了重要的理论基础和技术支持。通过引入闭环系统，研究人员不仅能够更准确地预测和控制感知特性，还能够减少对用户主观反馈的依赖，提高设备的自动化水平。这些成果表明，未来视觉假肢的设计和应用可能会更加智能化，从而更好地满足失明人群的视觉需求。同时，研究还强调了神经活动在理解大脑如何处理外部刺激中的关键作用，这为其他类型的神经假肢研究提供了借鉴。