在大脑里“点亮”视觉

刘  冰

2024年1月，脑机接口公司Neuralink 宣布完成其首例脑机接口人体植入，一位四肢瘫痪的患者在手术不久后便能够通过“意念”控制电脑光标和下棋。这一里程碑事件，让“脑机接口”从一个实验室里的前沿概念，正式走进了公众视野。

而在脑机接口的众多方向中，有一项更具想象力的挑战正在努力推进：不只是“读取”大脑发出的运动指令，而是“写入”大脑，即通过向视觉皮层发送经过编码的电信号，让全盲患者重新“看见”世界。这就是——视觉重建脑机接口。

对很多人来说，睁开眼睛看见世界似乎是一件再自然不过的事情。但对于全盲患者而言，困难往往并不只是“看不清”，而是外周视觉通路已经发生了不可逆损伤。无论是严重眼外伤、青光眼晚期、视神经萎缩，还是部分遗传性视网膜疾病，患者一旦失去视网膜和视神经这一前端通路，传统治疗方法往往难以恢复真正有意义的视觉功能。好比视觉系统中的传感器或传输线路发生故障，外界图像无法稳定转化并传递为大脑可处理的神经信号。

据世界卫生组织统计，全球至少有22亿人患有视力损伤，其中完全失明者超过4000万。对他们而言，失去的不仅是“看见”本身，还意味着行动能力受限、空间判断丧失、沟通效率下降，以及更深层次的生活独立性的损失。如果能够绕过受损的视觉通路，直接向大脑皮层输入视觉信息，就有望为这一庞大人群在大脑里“点亮”视觉。

要理解这项技术是如何工作的，我们首先需要了解大脑是怎么“看见”世界的。在正常视觉中，光线进入眼睛后被视网膜转化为电信号，经由视神经和外侧膝状体中继，最终抵达位于大脑后部的初级视觉皮层。视觉皮层有一个重要特性——“拓扑映射”：皮层的不同位置对应视野中的不同区域，皮层相邻位置通常对应视野中相邻区域，并以对侧视野为主，就像一张经过变换后铺开的地图。大脑再根据这些信号的空间分布、时间顺序和强弱变化，逐步形成对位置、轮廓、明暗、运动和颜色等视觉属性的综合感知。

视觉重建脑机接口的核心思路由此变得清晰：既然“数据线”断了，那就绕过它，直接在视觉皮层这块“屏幕”上把信号“画”出来。具体而言，是通过植入视觉皮层的微电极阵列，向特定皮层位点附近的局部神经群体施加受控电脉冲，让患者在主观感知中“看到”一个个光点，也就是大家称之为的“光幻视”。通过精密调控这些光点的空间排列、明暗层次（灰阶）、时间序列甚至颜色属性，原则上可以将外部场景转化为大脑能够“读懂”的感知信息。但这条路线面临的核心问题是：如何让大脑真正“理解”这些人工注入的信号，而不仅仅是产生一些杂乱无章的光感？

为回答这个问题，我们明视脑机团队并没有把问题简单理解为“做一根电极”或“写一个算法”。团队更强调的是系统能力：通过体外视觉处理单元对场景进行实时提炼，优先提取导航、避障、识人、门框、台阶等最有功能价值的信息；再结合视觉皮层的拓扑映射关系，把这些信息转化为刺激位点、电流幅值、脉宽、频率、时序和位点组合等参数，并由刺激器和柔性电极将其写入视觉皮层。整个过程并不是一次性完成，而是在患者反馈和行为表现的基础上，持续修正和优化。

在这套系统中，“闭环”和“学习”机制尤为关键。如果只是用固定参数、单向开环地输出电脉冲，大脑会逐渐产生适应性变化，感知质量随之波动，就像久居嘈杂环境的人最终会“听而不闻”。为避免这一点，我们自主研发了Experica神经闭环平台。它不是单一功能的实验软件，而是一个面向脑机接口研究与转化的通用底层工具，能够将视觉任务设计、刺激下发、行为反馈采集和“刺激—感知”映射校正组织成一个封闭循环，让系统从“能刺激”逐步进化到“能适配、能训练、能稳定使用”。

围绕这套系统，我们已经取得了一系列阶段性进展。在非人灵长类动物实验中，完成了感受野定位、光幻视相关行为任务、朝向辨别和颜色辨别等验证。这些结果表明：通过电刺激在视觉皮层上诱发结构化、有任务价值的视觉感知，并非遥不可及。

在人体临床试验中也积累了阶段性数据，验证了特定参数组合下的稳定光幻视诱发、复杂图形表征、灰阶表达以及部分颜色表征能力。这些数据的意义，不仅在于证实“可以在大脑里点亮光点”，更在于说明视觉皮层刺激正在从离散的单点诱发，逐步迈向对患者日常生活有实际帮助的结构化感知，比如分辨障碍物轮廓、识别门框位置、判断前方是否有人。

更重要的是，这些临床与实验数据并没有停留在单次验证层面，而是在反向推动整个系统的迭代升级。真实患者和实验对象的每一份反馈，都在帮助研究者回答一系列关键问题：哪些皮层位点更适合空间定位？哪种参数组合更有利于灰阶和颜色的稳定表达？怎样的训练方式更有助于大脑逐步适应人工视觉信号？正是在这种“临床牵引—机制解析—软硬协同”的循环中，早期低通道系统的验证数据被持续反哺到更高通道电极、更高通道刺激器和下一代视觉重建系统的设计之中。

把时间线拉长来看，视觉重建脑机接口的价值远远超出了“帮助盲人看见”这一单项临床目标。它同时融合了柔性电极材料、微纳加工、专用芯片、神经编码算法、闭环控制、神经外科和康复训练等多个关键环节。其中积累的底层能力可以外溢到更广泛的神经调控领域——包括运动功能障碍、难治性癫痫、抑郁症等。因此，推动这项技术，不仅是在为全球数千万失明患者寻找一条功能恢复的新路径，也是在为下一代脑机接口平台奠定坚实的技术基础。

今天的视觉重建技术，距离自然视觉仍然有明显差距。但它已经不再只是科幻小说中的未来图景。通过持续积累动物实验数据、临床反馈、系统平台迭代和关键器件突破，研究者正在一步步逼近那个最核心的问题：当机器发出的人工信号被写入大脑之后，大脑究竟能不能学会理解它、适应它，并最终将它转化为真正可用的感知能力？

这条路注定漫长，但沿途的每一步，都在为人类理解自身最精密的器官——大脑贡献新的拼图。而我们明视脑机团队正在做的，正是这条路上最难、也最关键的一部分工作。

作者简介

刘冰，中国科学院自动化研究所副研究员，明视脑机科技创始人。长期从事植入式脑机接口、闭环神经接口与脑—机双学习研究。带领团队围绕视觉重建方向，持续推进柔性电极、多通道刺激器、神经编码算法、闭环控制平台、非人灵长类实验与人体临床试验（IIT）等关键环节，形成了从机制研究到系统验证、从动物实验到人体试验的完整技术链条。