希拉･尼伦伯格：用假体眼睛治疗失明

我研究的是大脑如何处理信息 也就是 大脑如何接受外界信息 并把它转换成脑电活动模式 然后又如何利用那些模式 来控制行为－ 看，听，拿东西 我是个理论基础科学家 但在过去的一年半里 我开始转变方向 利用对刚刚所说的模型的了解 来开发假体装置 我今天想给各位展示 其中一个例子 这是我们对此做的第一个尝试 是一个用于治疗失明的 假体装置

首先从失明这个问题谈起 由于视网膜病变 而全球失明的人数更多 他们因为视网膜的疾病 或者黄斑部变性这样的问题失去视力 然而， 人们对此却无能为力 虽然有一些治疗性药物 但它们只对很少一部分患者有效 而对于大部分病人来说 他们恢复视力的希望 就得寄托于假体设备 问题就是目前的假体效果并不好 这些假体仍然 他们提供的视觉范围还是很有限 比如说 这些装置只能帮病人看到 亮光和高对比度的轮廓 几乎没有其他影像 所以它们没办法让病人看到正常视觉范围的影像

今天我想告诉诸位的是 我们正在研制的一个设备 将有可能改变这一切 这个设备将会更加有效 我想在这里展示一下它的工作原理 首先我会讲一点背景知识 让大家了解一下正常视网膜的工作原理 这样你就可以明白 我们要解决的问题是什么 这是一个视网膜 现在你可以看到一张图片，一个视网膜和大脑 当你看着面前的事物 比如这张婴儿的脸的图片 图像进入你的眼睛并停留在你的视网膜上， 它停留在视网膜的前端细胞上，也叫感光器 然后视网膜的中间部分，即它的电路系统 就开始处理这个图像 它开始对图像进行操作， 从图像中提取信息 然后把信息转换成代码 代码以电脉冲的形式 送入大脑 所以关键环节就是 把图像转换成代码 我所说的代码 就是字面意思的代码 就像这里的脉冲就是“婴儿脸”的意思 所以当大脑得到脉冲的模型 就知道了 这是个婴儿的脸 如果是不同的模型 那它就知道是别的，比如一条狗 或者房子 总之 就是这个意思

当然现实生活是动态的 物体总是变化的 所以脉冲模型也一直变化 因为你看到的世界 是一直在变化的 所以这就有点复杂了 你的眼睛每一毫秒 都会发送不同的脉冲模型 告诉大脑你看到的事物 如果一个人 的视网膜变性 比如患上黄斑部变性，情况会怎么样呢？ 这时前端细胞就会死亡 感光器死亡 接着所有的细胞和联结这些细胞的组织 都会死亡 最后剩下的只有 那些输出细胞 就是那些把信号送入大脑的细胞 但是因为这些变性 那些细胞就没有信号可输出了 没有信号输入它们 人的大脑就失去了 视觉信息 这样他就失明了

一个解决方案就是 制造一个设备来模仿 前端细胞电路系统的功能 把信号传给视网膜的输出细胞 这样它们就能重新开始正常工作， 把信号输入大脑 这是我们的研究 这就是我们制作的假体的功能 它由两部分组成 我们称为编码器和传感器 就像我之前提到的，编码器 模仿前段细胞的功能－ 接受图像，并把它转换成 视网膜能接受的编码 然后传感器使 输出细胞把编码 送进大脑 这样视网膜假体就能产生 正常的视网膜输出 因此一个完全失明的视网膜 即使前端细胞完全不能工作 没有感光器 也能够输出正常信号 并且大脑能理解这些信号 还没有其他的设备能 做到这点

下面 我简略说一下 编码器的功能 因为这真的是个关键部分 很有意思也很酷 我也不知道该不该用“酷”形容 不过就是那个意思 它的功能就是 用一套方程式来替代视网膜电路系统 而且是它最重要的部分 我们可以把这些方程式植入芯片中 所以这其实就是数学 也就是说我们没有 真的换掉视网膜的构成部分 不是说我们做了个迷你设备 来替代每一个不同的细胞 我们只是用方程式 来提取视网膜的工作原理 这样，这些方程式的功能就 类似于密码本 一个图像穿过方程式 变成一串电脉冲 就像正常视网膜所产生的效果一样

下面我就来用 实际行动展示一下 证明我们确实能够产生输出信号 以及这么做的意义 这是三个放电模型 最上面的来自 一个正常动物 中间的来自一支使用编码传感设备的 失明的动物 最下面的来自一个使用标准假体的 失明动物 最下面是目前能找到的 最尖端的科技设备 主要就是由光探测器组成的 但是没有编码器 我们做的就是把日常事物－ 人，婴儿，公园座椅等 这些日常生活中的东西给它们看 然后记录下三组动物视网膜 的不同反应 首先要说明的是，每个长方形都表示 几个细胞的放电模型 和前几张幻灯片中一样 每一行是一个不同的细胞 我把脉冲做得更小更细 这样你可以看到 更详细的数据

如图所示 使用编码传感器设备的 失明动物的模型能够 很好地与正常模型吻合－ 虽不完美但已经很好了－ 而使用普通假体的 失明动物的模型 效果就不行 用普通假体的时候 细胞的确可以放电 但是并不是以正常的放电方式进行 因为它们没有正确的编码 编码有多重要呢？ 它对病人的视力 有多大潜在影响？ 我会向各位展示一个 基础实验来回来这个问题 当然我还有别的数据 如果你有兴趣 我可以展示更多 这实验被称作重建实验 我们从记录里 截取某一刻 看看那一刻视网膜都看到了什么？ 我们能不能重建 视网膜从那三种放电模型中 看到的东西？

我们对普通假体 和编码传感器的反应 各做了实验 首先我来说明 普通假体的实验结果 可以看出效果很有限 因为放电模型没有正确编码 所以它很难看出来 究竟是什么图像 你可以看到 那里是有些什么东西，但是不清楚到底是什么 这又回到了 我在开头的时候说的 关于普通假体的问题 安装普通假体的病人可以看到高对比度的轮廓 他们能看见亮光 但是仅此而已 到底是什么图像？是婴儿的脸 我们加入了编码后的方法 是什么效果呢？ 你可以看出来，效果好多了 你不仅能看出是婴儿的脸 而且还能看清是这样一个孩子的脸 这真是个很具挑战性的任务 左边是单用编码器的结果 右边是一个实际的失明视网膜 和编码传感器™ 但是最关键的就是编码器 因为我们可以把不同的传感器和 编码器结合起来

这是仅仅是我们尝试的头一个 我想说一些关于普通假体的问题 它刚刚面世的时候 确实令人振奋 因为这能让一个失明的视网膜有反应 但是缺陷就 在于编码 怎样才能让细胞更好地反应 产生正常的反应 这就是我们作出的贡献 现在我总结一下 就像我之前说的那样 如果你感兴趣的话 我还有很多其他数据 这里我只简单地说一下 这种可以用自己的语言 和大脑交流的方法 以及这个方法的潜在力量 这跟运动修复术不同 运动修复术是把大脑的指令 传递给一个设备 而我们是要把外界信息 输入大脑 并且要使其被大脑理解

最后我想 强调一下的 是这个方法是广泛适用的 我们用来研究视网膜编码的技术 同样也可以 用于研究其他领域 比如听觉系统 和运动系统，已解决听力障碍 和四肢运动障碍 其原理跟我们 绕过受损的视网膜电路系统 直接进入视网膜输出细胞一样 我们也可以绕过 损坏的耳蜗电路系统 直达听神经 或者绕开运动皮质里坏死的区域 来消除中风带来的 损害

最后 我想说掌握代码 非常非常重要 如果我们能掌握代码 也就是大脑的语言 一切都豁然开朗 谢谢

（掌声）