Я читал об искусственных глазах и задумался о том, как работает мозг. Точнее, какие «сигналы» он использует в случае коркового зрительного протезирования у слепых? Корковые протезы применяют токовые стимуляции через электроды, расположенные на поверхности зрительной коры.
Теперь предположим, что я бы хотел, чтобы слепой человек, носящий кортикальный протез, увидел красный цвет, какой сигнал я бы послал через электроды? Подойдет ли синусоида частотой 200 Гц?
Краткий ответ
Опыт кортикального зрительного протезирования ограничен. Однако гораздо больше известно о слуховых протезах (в основном кохлеарных имплантах ) и протезах сетчатки . В этих имплантатах обычно применяются двухфазные последовательности импульсов со сбалансированным зарядом, в основном из соображений безопасности и для уменьшения распространения тока через нервную ткань. Синусоидальные волны были протестированы в кохлеарных имплантах, но давно отказались от них как от полезного стимула. Восприятие цвета в зрительных кортикальных протезах до сих пор не исследовано, но в имплантатах сетчатки доступны некоторые ограниченные данные о том, что цветовым восприятием можно манипулировать, изменяя форму и частоту последовательностей электрических импульсов.
Исходная информация
Во-первых, нейронные протезы (в том числе слуховые и зрительные протезы, а также кардиостимуляторы) обычно работают посредством двухфазных импульсов, а не синусоидальных волн.
Преимущество двухфазных импульсов состоит в том, что они могут быть очень короткими (порядка десятков микросекунд в случае кохлеарных имплантатов и сотен микросекунд в случае имплантатов сетчатки). Это выгодно, потому что типичный двухфазный импульс имеет две одинаковые фазы, но противоположной полярности. Это означает, что введенный ток быстро нейтрализуется в течение микросекунд. Обратите внимание, что постоянный ток повреждает нежные нервные ткани. Вот почему импульсы со сбалансированным зарядом используются в современных кохлеарных имплантах, чтобы избежать стимуляции постоянным током (DC), которая может повредить нервные ткани (Bahmer & Baumann, 2013) .
Синусоидальные волны использовались в кохлеарных имплантах (Clark, 2006) , поскольку большая часть акустической речевой информации передается на частотах от 500 до 400 Гц. Действительно, слуховой нерв демонстрирует фазовую синхронизацию, когда электрический (или акустический) стимул имеет частоту около 100 Гц или ниже. Однако в настоящее время двухфазные последовательности импульсов являются нормой, потому что они безопаснее, энергоэффективнее и эффективнее, поскольку импульсы на соседних электродах можно чередовать, чтобы предотвратить суммирование электрического тока на близко расположенных электродах. Это называется чередованием и широко используется с 1990-х годов, когда оно стало известно как стратегия непрерывной выборки с чередованием (CIS) (Wilson et al ., 1993).. Стратегия, подобная CIS, была принята и в имплантатах сетчатки, например, в протезе Argus II .
Зрительные протезы в целом обеспечивают зрительное восприятие по шкале серого. Кортикальные протезы мало исследованы. Однако в настоящее время имплантаты сетчатки коммерчески доступны как минимум от двух компаний. В имплантатах сетчатки фосфены проявляются в основном в виде белых пятен света, но также сообщалось о желтом цвете (Stronks & Dagnelie, 2014b), а также фосфены от красного до оранжевого цвета (Humayun et al ., 2003) . Интересно, что в протезах сетчатки действительно было показано, что путем тщательной регулировки частоты пульса и формы импульса можно вызвать некоторую грубую форму восприятия цвета (Stronks & Dagnelie, 2014a).. Однако единственным устойчивым результатом, по-видимому, было то, что высокая частота пульса приводила к синим фосфенам, когда стимуляция была остановлена (реакция ВЫКЛ) (Humayun et al ., 2003) . Мысль состоит в том, что разные характеристики стимула стимулируют различный набор волокон в сетчатке, но на данном этапе это очень предварительно. Насколько мне известно, исследование кортикальных имплантатов еще даже не касалось цветовых ощущений.
Ссылки
- Bahmer & Baumann, Hear Res , 306 : 123-30
- Clark, Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci (2006); 361 (1469): 791–810
— Humayun et al ., Vis Res (2003); 43 (24): 2573-81
- Stronks & Dagnelie, Exp Rev Med Dev (2014a); 11 (1): 23–30
— Stronks & Dagnelie, Encyclopedia of Computational Neuroscience (2014b): 1–4
— Wilson et al ., J Rehabil Res Dev (1993); 30 (1): 110-6
Этот вопрос, откровенно говоря, немного расплывчатый, но вообще говоря (т.е. отвечая на вопрос из заголовка) мозг использует электрохимическую передачу сигналов. Проблема, конечно, в том, что мы далеки от полного понимания того, что там происходит, или как эти сигналы достигают всего, что мы можем сделать. В настоящее время мы можем моделировать крошечные фрагменты мозга крысы, как сообщается в новостях Nature, 2015 .
Чтобы ответить на вопрос о теле, «если бы я подключил какой-нибудь электрод[ы] к зрительной коре слепых людей и хотел, чтобы они увидели красный цвет, что бы я послал через электроды?» Ответ - мы не знаем. Это потому, что, как Conway et al. 2007 г., состояние:
На грубом уровне остается спорным, локализован ли цвет в определенной области мозга; на микроскопическом уровне неясно, какой вклад отдельные клетки вносят в восприятие конкретных оттенков. В то время как некоторые исследования изображений головного мозга предполагают, что обработка цвета может быть локализована в экстрастриарных отделах мозга [...], электрофизиологические исследования отдельных клеток, которые имеют более высокое пространственное и временное разрешение, чем изображения, дали противоречивые результаты [...] и ставят под сомнение идею специализированного центра окраски [...].
Теперь, если вы спрашиваете об искусственных глазах ... существует много видов предлагаемых протезов, но если мы говорим о [полном обходе зрительного нерва, таких как имплантаты бионического глаза в мозг , как сообщает MIT Technology Review, 2017 , то в настоящее время это только работает для черно-белого... и даже тогда
Пациент мог видеть пятна света без каких-либо значительных неблагоприятных побочных эффектов. [...]
«Если бы мы могли понять, как обрабатывать и фильтровать визуальную информацию, чтобы правильно стимулировать электроды, мы могли бы в конечном итоге улучшить тип изображения, которое человек сможет воспринимать».
Так что это кажется открытой проблемой, даже без цвета.
Конвей, Б.Р., Меллер, С., и Цао, Д.Ю. (2007). Специализированные цветовые модули экстрастриарной коры макак. Нейрон, 56(3), 560-573.
СильныйПлохой