用于视力恢复的脑机接口综述(一)(修改)

原创
2021/02/15 09:17
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侵入式脑机接口


研究人员已经测试了许多大脑部位的电刺激,旨在通过使用植入物来恢复视力。例如,研究人员曾尝试对因色素性视网膜炎(RP)或年龄相关性黄斑变性(AMD)导致的失明患者的视觉皮层和视网膜细胞进行电刺激。此外,其他研究表明,通过刺激视神经(Delbeke等,2001)或外侧膝状核(PezarisReid2007)可以唤起感官知觉。然而由于这些与神经外科手术相关的存在许多挑战和风险,这些技术并未被广泛使用




大脑皮层视觉假体


几个世纪以来,恢复视力一直是科学家们感兴趣的问题。法国物理学家Charles Le Roy对用电治疗疾病很感兴趣。为了治愈失明患者,他发明了一种金属装置,该金属装置应用于患者的头部并将其连接到莱顿瓶上。病人报告说在电击时感觉到闪光(LeRoy, 1755)这是第一次有记录的视觉皮层电兴奋性的演示,也是一系列视力恢复尝试的灵感来源。20世纪初,神经外科医生利用清醒的颅骨病人的研究机会,用电刺激他们的视觉皮层。使用这些技术发现了人类初级视觉皮层中视野的空间表示(Holmes, 1918;LöwensteinBorchardt, 1918)John C. Button基于从该方法得到启发开发了一种设备,旨在通过电刺激枕叶皮层来恢复盲人的视力。在对该设备的测试中,一位盲人病人报告说看到闪光,并能够定位和评估光源的亮度(Button1958)几年后,BrindleyLewin(1968)制造了皮层视觉假体的无线原型,它由80个颅外无线电接收器和80个植入距骨裂的颅内电极组成。该原型并不像作者希望的那样支持阅读,但允许简单的模式识别。大约在同一时间,William Dobelle开发了一种可移动视觉神经假体,可以刺激接受脑部手术的患者的视觉皮层(2015)这些开创性的研究为开发更复杂的仪器和新一代皮层植入物奠定了基础。2020年,有几个项目正在进行中,并且在未来几年中正在进行或计划进行临床试验(有关神经仿生学和皮质植入物的综述,请参见:AllenAyton2020; Chen等人,2020;关于视网膜植入物的概述:Nowik等等, 2020年)。

AllenAyton2020


01

CORTIVIS


CORTIVIS项目的目的是使用仿生的人工视网膜来捕捉视觉场景该人工视网膜被设计为模仿视网膜中发生的视觉处理方面。CORTIVIS项目使用犹他电极阵列(UEA),该阵列由100个长度为1.0-1.5毫米的电极组成。它被设计用来到达皮质层4c(膝状神经的目标),并限制对神经元的损伤。早期实验表明,对植入电极的电刺激能在猴子身上产生视觉感知(Normann et al. 2009),并在脑外科手术期间对癫痫或脑瘤患者进行了初步研究。通过安全植入、高质量的视觉皮层记录和对膦的诱导感知,获得了非常好的结果(Fernandez et al. 2015)最近在猴子身上成功测试了一种被称为“高通道计数神经假体” 的新系统。它使用大量的植入电极(总共1024),放置在初级视觉皮层(V1)的膝状受体层和腹侧视觉流的V4区域。装有了这种植入物的猴子能够识别简单的形状、动作和字母(Chen等人,2020)

Chen等人,2020年


02

Orion


该系统由照相机,计算机和应用于枕后叶的硬膜阵列组成,该硬膜下阵列由60个表面电极组成。在处理视频图像之后,信息被无线传输到阵列。研究人员对一名盲人患者的初步研究证明了该设备的安全性和基本功能。NiketeghadPouratian等人从2017年末开始执行了一项临床试验,迄今已包括5名盲人患者,并计划随访5年。初步结果表明,患者能够感知光幻视。


03

ICPV项目


皮层内视觉假体项目(ICVP)使用了一种无线浮动微电极阵列(WFMA),它由放置在视觉皮层表面的16个聚二乙烯绝缘的铱微电极、一个集成电路微处理器和一个具有无线电源和激活的微线圈组成。安装在眼镜或头带上的摄像机连接到视频处理器单元,该处理器将图像转换成映射到电极阵列的模式。然后,信号通过刺激模块传输到位于头部的遥测控制器,刺激模块将信号和功率无线分配到每个WFMA模块。相关人体临床试验正在进行中(Troyk, 2017)


04

Gennaris


该装置由安装在眼镜上的摄像头组成,用以捕捉场景,并将其传输到“口袋处理器”,该处理器提取有用信息,然后将其发送到植入初级视觉皮层第4层的图块(每个图块皮质内43个电极)信号通过位于头部后部的无线发射器广播(Lowery等人,2015)对实验动物的安全测试已经证实了光幻视的产生,组织学检查显示植入后皮质损伤最小,且长期刺激是可能的,没有不良事件(Lowery et al. 2017;Rosenfeld等人,2020)第一个人体临床试验计划在未来几年进行。

05

视网膜植入物


视网膜假体已被开发为视网膜疾病如RPAMD的潜在治疗方法,这是导致失明的主要原因。在这些病理中,视网膜神经节细胞(RGC)层相对不受影响,使这类患者成为视网膜内植入的良好候选者(Santoset al.997 Mediros and Curcio2001)视网膜假体根据电极阵列的位置进行分类,即视网膜上,视网膜下和脉络膜上。

06

Argus视网膜假体


第一个视网膜假体是Argus®I,它是一个由16个电极组成的视网膜前阵列,与电脑和摄像头无线连接。临床试验表明,患者能够完成简单的视觉检测和辨别任务(Yanai et al. 2007)研究者在之前的研究发现,电极数量和电极之间距离会限制空间分辨率(Caspi等人,2009)为了克服这些限制,随后推出的Argus®II拥有60 (6 × 10)铂电极阵列视网膜外阵列,传输信号具有更好的空间分辨率。植入患者能够辨别和识别2D3D物体,识别大的高对比度字母(Stronks and Dagnelie,2014)定位目标(Ahuja etal. 2011)和检测运动(Arsiero et al. 2011;罗等,2014)此外,在简单的导航任务中,患者能够沿着地面上的高对比度线找到门(Humayunet al. 2012)

07

Alpha-IMS


Alpha-IMS是一种视网膜下植入物,放置在没有光感受器的区域,目的是替代缺失的光感受器。它由一个由1500个光电二极管组成的芯片、一个放大电路和穿透电极组成。放大的信号激活双极细胞(Stingl et al.2013)使用这种植入物,患者能够感知和定位光源,并检测运动。该设备的第二代视网膜植入Alpha AMS是一个改进版本,拥有1600个光电二极管,具有更高的耐久性,目前正在测试中(Edwards et al.2018)

05

澳大利亚仿生视觉


澳大利亚仿生视觉(BionicVision , BVA)是一种脉络膜上植入物,可以减少视网膜损伤的手术风险。由于植入物距离目标视网膜细胞较远,因此患者使用该设备时的视力非常差(20/8397)(Ayton et al. 2014)


四种侵入性植入物(视网膜、视神经、丘脑和皮质)


上图中视觉假体。一般来说,视觉场景是由摄像机捕获,然后由计算机单元处理,发送到刺激视觉通路的电子接口(electro interface)上图展示了不同的解剖位置:(A)视网膜前(1)、视网膜下(2)和脉络膜上(3);(B)视神经;(C)外侧膝状核;(D)视觉皮层。


来源:

Brain-Machine Interfaces to Assist the Blind

Bionic eye review – An update


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