今天,新一代仿生眼實際上已經出現。
不過,我們可以想像一下,在現實世界中如果一個盲人想購買一個這樣的產品時所面對的難題——今天,他們是可以安排接受納米視網膜植入手術,以576像素的清晰度看到他們女兒的婚禮,但這可要花掉他們自己一生的積蓄;5000像素規格的納米視網膜設備在不久的將來,可能會在半年後研製成功,推出時的價格會更易于負擔。
當處理過程涉及視網膜神經節的觸角與電極產生針墊變形的融合時,硬件升級幷不是加插幾組記憶體那么簡單。但是,在這關鍵的情況下可以提供什么样的矩陣定義呢?
對於植入人工耳蝸以恢復聽力,若調校工作和對耳殼適體的配戴準確時,其效果好得令人驚歎。大部分用家可能只是通過一台安放在書架上的基本硬件——圖像式音頻均衡等化器來修正和改進。植入人工耳蝸根據一段串流音頻的頻率,經過轉譯處理構建不同大小的編碼,然後採用一個16點的線狀電極電流,配合耳蝸中對應的頻率位置操作。
這些設備的主要功能是在聲音中捕捉說話的共振峰——語音頻譜中的峰值。對於植入人工耳蝸最嚴峻的挑戰,是在嘈雜的環境下比如在一個雞尾酒會的場合,為用家提供完善的、跟現場音源分離的個人化調整。
卡內基的視力植入物 implantVision 則更為複雜
任何一個有經驗的攝影師都瞭解,眼睛的原理好比一台照相機,但視神經傳送的並非大腦像素。試想像一下你的相機,對每秒幾次自動選擇目標的反應,它在每次暫停的剎那間收集光線中的全光譜,通過對於整個範圍的設定,將數據壓縮成能跟接收器匹配,其帶寬和能量有限的理想頻道,你便會有一些對視網膜恆常運作的概念。
植入人工耳蝸表現出色的原因是大腦只會感覺賦予給它的幾乎是任何類型的信號,如果出現噪音,或一點聲音都沒有,大腦最終會開始自行產生錯覺。比如植入耳窩的信號包含原始信號的片段甚至有些失真,大腦可以製造出令人信服的工作表現。這也是視網膜植入物無須結合任何視網膜在健康狀態下的知識,都可以工作的原因。
仿生眼研究團隊現時所致力的,不單只是通過目前的植入物提供一個顆粒感的圖像。在冷戰時代,信號處理技術是如何從雷達所收集到的嘈雜數據中,提取信號追踪和定位來襲的導彈。這些技術現在用於將大腦皮層神經元的驅動神經活動,轉換成可用於移動光標;義肢的移動設備;或大腦機器肢體去衰弱接口(BCI)系統中的一組指令。這種方法同樣可以被施加到傳入感官的數據,並可仿效近似視網膜實際上所發揮的功能和進行的工作。
未來高清晰度的仿生眼
麗用大腦中一個單一的神經元,它的感光器可以讀取輸入訊號和指揮翅膀肌肉,可以在30毫秒內改變其飛行路徑。但這已是足夠的時間在一條神經鏈上形成幾個尖峰值。所以,這些尖峰值的時間結構,包含了與真實信息有關的刺激,以及傳動所必須的組成。因此,這就不單只是一個粗糙脉衝頻率的編碼。這些名為「維納」方程式,或者更精準地說稱之為「內核」,能準確地表示尖峰值序列中的信息,以及取代神經元中的模擬系統。
要做到這一點 – 即使是少許尖峰值 – 都需要以反覆的數值方法進行大量密集的計算。要嘗試完成這樣一個過程,數以百萬計的軸突(長長的神經元之間的連接)所構成的輸出,被認為可令視網膜疲於奔命以及望而却步。
爲瞭解决這個問題,研究人員進一步簡化了公式和對光感刺激重組,以有限數量的像素,或從其他類型的光感輸入中進行選擇,設計出一個適切的方案。在理解視網膜神經節細胞處理光感後的反應,如果不是直接以像素表示,便可以更好地理解標準的圖像處理概念,妣如邊緣檢測和偏重中心的周邊環繞視野抑制處理等。這些過濾器是建立在物理結構神經元的樹突狀結構上。是一項創建一個被稱為 Eyewire 的 connectome 視網膜方案。現正通過在線遊戲型式,收集群眾的回饋和努力以這些細節創造一個粗略的藍圖。
有一個對於源自海馬的觀點,是利用熒光蛋白和共聚焦顯微鏡;不過,這種分析是個由上而下的方法,最終來說有着其局限性。但它卻是我們目前最好的。
在這個臨時過渡的時間,到真正生物產品可以替代視網膜開發成熟前,神經形態芯片和人工神經網絡,可以取代這些方法。
以頭髮在植入耳蝸為介質細胞,發揮真實的聲音機械傳遞力傳導到神經電能活動這項令人震驚的探索進程作為對幹細胞替代品的研究,有望能很快被轉移到視覺和相關的傳遞系統上。
麻省理工學院技術評論(MIT Technology Review)所報導有關一對夫婦的專案,現仍處于研發的早期階段。
在去年十一月舉行的神經科學學會的會議上,馬素蓋殊(Massoud Khraiche)提出了利用矽納米綫以替代受損的感光細胞。這些納米線可以同時進行光感探測和對神經元產生刺激。
在卡耐基梅隆大學的另一個團隊,也成功把植入眼內設備的體積做得更加細小。他們的設備可提供眼睛感光細胞密度最高的部分,黃斑中心凹的景物細節。
仿生眼在某些情況下,感光器像一個適應黑暗的桿狀光感細胞,可以檢測單一個光子。令人印象更深刻的是,單一的幹細胞可以傳遞事物的一些在統計上的可靠性。換句話說,人們可以用意義上的推測來判別他們所看到的是不是光子。比如在陽光明媚的海灘上反光的沙粒,同樣的細胞也可以通過視網膜的功能正常地工作,給我們提供一些動態範圍。
以仿生眼捕捉完整的互相補足技術,這肯定還需要一段時間。至於選擇用到植入物方面,很難知道製造商採用什么樣的技術;因為不同的開發人員會採用不同的演算法。
如果您的視網膜植入物對新的視覺應用程式,可以遙距進行安裝,這可能是一個好兆頭。此外,還須要提供對操作系統/韌體(固件)的升級。最後,如果植入物可以在實際硬件升級中包括備用的 FPGA,就更為理想了。
殘疾人士在聽到新聞報導中有關醫學上突破的公佈時,得先要學習鍛煉他們的期望。其實,這一天很快就會到來,屆時最大的問題不在於技術的缺乏;而僅僅是在於對市場上大衆的購買力而言,他們可能會是實在貴得可以的現實。但願這些新産品能找到一個公平支付系統,他們才有望可以在精神上有最好的享受。