[科普中國]-先天盲人，不用眼睛也能“看見”飛來的球

眼睛受到不可逆轉(zhuǎn)的損傷后，還能看得見嗎?

神經(jīng)科學發(fā)現(xiàn)，大腦有一種特殊天賦，能夠不依靠眼睛，讓天生的盲人學會“看東西”。

圖片來源：veer圖庫

躺進“按摩椅”，先天盲人也能“看見”飛來的球

1969年，《自然》刊發(fā)了一篇頗具科幻色彩的論文，文中詳細描述了一種很奇怪的儀器，通過“按摩”盲人的后背，能夠讓他們“看見”東西。

讓我們還原一下實驗情景：

一個先天盲人，沒有任何視覺經(jīng)驗，躺在一張類似牙科治療椅上。在他旁邊安裝了一臺配有變焦鏡頭的老式攝影機。

治療師用手搖的方式移動攝影機，來掃描盲人面前的景象。生成的影像被傳送進身后的儀器中，儀器把經(jīng)過處理的視覺信號，傳輸給治療椅背上的刺激點矩陣。

具體來說，景象中光線弱的部分，對應的矩陣刺激點會震動，而光線強的部分，就不震動。這些觸點會直接刺激盲人的后背皮膚，像是按摩椅一樣。

巴赫-利塔發(fā)明的“助視神器”。圖中鏡頭的位置朝向正好模擬人眼的視角，能使盲人感知面前的物體（圖片來源：參考文獻2 ）

經(jīng)過20-40個小時的密集訓練后，神奇的事情發(fā)生了——盲人不僅能夠區(qū)分垂直線、斜線和曲線等不同的線條，還能辨認圓形、長方形、三角形等常見的幾何形狀。

在學會操控攝影機后，透過變焦鏡頭，盲人能夠瞄準房間的不同位置，來識別電話、椅子、杯子等各種物體（即使被部分地遮擋?。?，并描述它們之間的位置關系。

逐漸地，他們開始能感知到面前的三維立體空間：

物體的遠近，能夠?qū)е聢D像產(chǎn)生大小變化；

從不同的視角觀察物體，它的形狀會被扭曲；

物體的背光面會投下陰影等。假如有人朝鏡頭扔一個球過來，盲人會很自然地躲避。

借助這個“觸覺-視覺”（tactile-vision）儀器，盲人甚至還學會了辨識人臉（如，名模的臉孔）。

更不可思議的是，他們還能“觀察到”人物的外表和舉止的變化。

比如，他們描述某位女士：“她今天把長發(fā)放下來了，而且沒有戴眼鏡。她正把右手移到腦后?！?/p>

刺激點矩陣的振動模式在監(jiān)控示波器上，投射出一個二維影像。

圖像顯示的是人臉形象。經(jīng)過長時間的訓練，盲人能夠?qū)W會識別類似復雜程度的觸感模式（圖片來源：參考文獻2）

為什么刺激后背，大腦就能夠“看見”呢？

這項研究的主要負責人保羅?巴赫-利塔(Paul Bach-y-Rita)，曾對使用盲杖的盲人，進行了細致的觀察和研究。盲人在行走時，會前后掃動盲杖，盲杖的尖端經(jīng)由皮膚上的觸覺感受體，來告訴盲人路況信息。

巴赫-利塔深受啟發(fā)：盲杖可以看作是盲人和物體之間的“接口”。通過盲杖在手上的壓力觸感，形成諸如房間擺設這樣的空間信息。

**因此，手上的皮膚及其觸覺感受體，就像一個信息收集站。**它們可以替代視網(wǎng)膜，使圖像在大腦中形成。

“按摩椅”正是以類似的方式，讓盲人能夠“看見”。簡單來講，這是大腦在看東西，而不是眼睛。

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隨機應變的大腦

巴赫-利塔的這項前瞻性實驗結(jié)果，證實了“感官替代”（sensory substitution）理論。

具體而言，這是指負責視覺功能的重要神經(jīng)通路，一旦斷掉或被堵死，大腦就會繞道。

**掌管觸覺感受的神經(jīng)通路，本來在視知覺中極少被用到，但是現(xiàn)在能作為替補上場，發(fā)揮“看東西”的作用。**看來，大腦也懂得“條條大路通羅馬”。

事實上，大腦很像一臺待在黑暗腦殼里的解碼器。當外界的各種感官信息輸送進來后，不管這些信息是光子、空氣壓縮波、分子濃度，還是壓力、質(zhì)地或溫度，都會被統(tǒng)一轉(zhuǎn)換成腦中的通用語言：電化學信號。

正是這黑暗劇場里的生物化學反應，形成了我們對現(xiàn)實的所有感知。

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即使感知信號來自非同尋常的感覺神經(jīng)通路，大腦也會迎難而上，通過不斷地學習、理解新的信號，來重新組織感官知覺。

這要歸功于幾百萬年的生物進化，將大腦打造成了隨機應變的“大咖”?；酁樯衿娴某瑥妼W習能力，正是源于人類大腦神經(jīng)的靈活可塑性。

巴赫-利塔是將大腦神經(jīng)的可塑性，運用于復健醫(yī)學的先驅(qū)。

繼“按摩椅”之后，世界上涌現(xiàn)出了一些更現(xiàn)代化的設計。比如，通過給耳朵輸送聲音，或是采用小幅振動刺激前額或舌頭的方式，來向大腦傳遞視覺信息。不用眼睛，也能“看見”。乍一聽，這像是特異功能。但細想來，這也是大腦正常運作的結(jié)果。

無獨有偶，聽覺也可以不依賴耳朵。

另類方式“聆聽”世界

神經(jīng)科學家大衛(wèi)·伊格曼（David Eagleman）團隊為聽障人士，精心設計了一款助聽神器——可變超感官傳感器（Variable Extra-Sensory Transducer, 即VEST，俗稱“背心”）。

“背心”自帶麥克風，能對外界聲音進行實時感知覺編碼（real-time perceptual coding）。

編碼信息隨即映射給“背心”上的一些微小振動電機。電機能根據(jù)聲音的頻率，激活動態(tài)的振動模式，再傳送給整個軀干。

“背心”的工作原理 （圖片來源：eagleman.com ）

這項可穿戴技術(shù)也能在手機、平板電腦等移動設備上運行。設備一旦捕捉到環(huán)境里的聲音，就會通過藍牙將信號映射到電機上。

“背心”在移動設備條件下的工作原理（上）；“背心”的正反面（中）；伊格曼展示“背心”的穿戴效果（下）（圖片來源：參考文獻3）

適應“背心”發(fā)出的振動信號，就像是在學習一種新的語言。 起初，這些外來信號難以捉摸。但經(jīng)過足夠的訓練，大腦會交叉對比不同的后背觸感，并逐漸學會從中提取規(guī)律，把“背心”的語言，轉(zhuǎn)換成能夠理解的信息。比如，大腦能將某個詞語與具體的振動模式匹配起來。

實驗表明，每天穿“背心”2小時，在不到一周的時間里，聽障人士就能將他人說出的單詞，正確地拼寫出來。

伊格曼表示，這項專利技術(shù)不僅能為患者免去耳蝸移植手術(shù)帶來的侵害，而且有望讓他們獲得直接的聽覺感受體驗。這就類似盲人通過觸摸盲文，來理解文字的含義。

故事還沒結(jié)束，后續(xù)工程師們又神來一筆！他們將“背心”的核心技術(shù)，濃縮進了一個小巧的手環(huán)里，并給它起了一個生動形象的名字——“Buzz”，意為“發(fā)出嗡嗡聲”。

手環(huán)的界面安裝有電源開關、用戶設置按鈕、一個麥克風以

及一個微控制器。（圖片來源：Neosensory.com ）

手環(huán)雖小，但功能俱全。它配有1個捕捉環(huán)境聲音的麥克風、4個振動電機以及精密的信號處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)能像“背心”那樣，將外界信號經(jīng)由“聲音-觸感”（sound-to-touch）算法編碼后，轉(zhuǎn)化成電機輸出的動態(tài)振動模式。

麥克風捕捉到的聲音信號，經(jīng)過微控制器處理后，轉(zhuǎn)化成4個電機輸出的不同振動模式。每個振動點是8.2mmX8.5mm的長方形區(qū)域 （圖片來源：參考文獻1）

僅僅只有4個振動刺激點的手環(huán)，能傳遞出足夠多的觸感信號嗎？

研究團隊在失聰和聽力嚴重受損的18名患者身上，進行了為期一個月的監(jiān)測。在這段時間的日常生活中，患者每天至少佩戴手環(huán)4小時。從剛佩戴手環(huán)的那天起，患者每隔兩周接受一輪測試。

數(shù)據(jù)顯示，患者能夠?qū)W會區(qū)分由單詞音頻轉(zhuǎn)化而成的不同振動模式。并且，他們也能辨認出，來自相似但不同單詞的振動模式。

進一步研究后發(fā)現(xiàn)，患者還能學會識別日常生活里的聲音。他們的學習素材涉及嬰兒的哭泣聲、汽車喇叭聲、鬧鐘聲以及鼓掌聲等14個類別。

令人欣喜的是，他們的識別能力隨著佩戴天數(shù)的增加而提高。

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事實證明，隨著對手環(huán)功能的不斷適應，佩戴者逐漸變得能更好地感知周圍的聲波世界。

美好的故事仍在繼續(xù)。相信手環(huán)能為更多的聽障人士帶去希望。

人類大腦特有的這種化腐朽為神奇的學習能力，為受限的感官知覺，帶來了全新的可能。

參考文獻：

1.Perrotta, M. V. , Asgeirsdottir, T. , & Eagleman, D. M. . (2021). Deciphering sounds through patterns of vibration on the skin. Neuroscience (4).

2.Bach-Y-Rita, P. , Collins, C. C. , Saunders, F. A. , White, B. , & Scadden, L. . (1969). Vision substitution by tactile image projection. Nature, 221, 963–964.

3.Novich, S. D. , & Eagleman, D. M. . (2014). A vibrotactile sensory substitution device for the deaf and profoundly hearing impaired. 2014 IEEE Haptics Symposium (HAPTICS). IEEE.

4.諾曼·道伊奇 《重塑大腦，重塑人生》（2015）機械工業(yè)出版社

5.大衛(wèi)·伊格曼 《大腦的故事》（2019) 浙江教育出版社

6.我們能為人類創(chuàng)造新感官嗎？| TED

7.https://www.ted.com/talks/david_eagleman_can_we_create_new_senses_for_humans/transcript?language=zh-cn