先天盲人，不用眼睛也能“看見”飛來的球

出品：科普中國(guó)

制作：張舒喻

監(jiān)制：中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心

眼睛受到不可逆轉(zhuǎn)的損傷后，還能看得見嗎?

神經(jīng)科學(xué)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(xué)會(huì)“看東西”。

圖片來源：veer圖庫(kù)

躺進(jìn)“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(xì)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(shí)驗(yàn)情景：

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

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

具體來說，景象中光線弱的部分，對(duì)應(yīng)的矩陣刺激點(diǎn)會(huì)震動(dòng)，而光線強(qiáng)的部分，就不震動(dòng)。這些觸點(diǎn)會(huì)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(xiàn)2 ）

經(jīng)過20-40個(gè)小時(shí)的密集訓(xùn)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(rèn)圓形、長(zhǎng)方形、三角形等常見的幾何形狀。

在學(xué)會(huì)操控?cái)z影機(jī)后，透過變焦鏡頭，盲人能夠瞄準(zhǔn)房間的不同位置，來識(shí)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(guān)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(yuǎn)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(huì)被扭曲；

物體的背光面會(huì)投下陰影等。假如有人朝鏡頭扔一個(gè)球過來，盲人會(huì)很自然地躲避。

借助這個(gè)“觸覺-視覺”（tactile-vision）儀器，盲人甚至還學(xué)會(huì)了辨識(shí)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(zhǎng)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(diǎn)矩陣的振動(dòng)模式在監(jiān)控示波器上，投射出一個(gè)二維影像。

圖像顯示的是人臉形象。經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的訓(xùn)練，盲人能夠?qū)W會(huì)識(shí)別類似復(fù)雜程度的觸感模式（圖片來源：參考文獻(xiàn)2）

為什么刺激后背，大腦就能夠“看見”呢？

這項(xiàng)研究的主要負(fù)責(zé)人保羅?巴赫-利塔(Paul Bach-y-Rita)，曾對(duì)使用盲杖的盲人，進(jìn)行了細(xì)致的觀察和研究。盲人在行走時(shí)，會(huì)前后掃動(dòng)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(shè)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(gè)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(jiǎn)單來講，這是大腦在看東西，而不是眼睛。

圖片來源：Pixabay

隨機(jī)應(yīng)變的大腦

巴赫-利塔的這項(xiàng)前瞻性實(shí)驗(yàn)結(jié)果，證實(shí)了“感官替代”（sensory substitution）理論。

具體而言，這是指負(fù)責(zé)視覺功能的重要神經(jīng)通路，一旦斷掉或被堵死，大腦就會(huì)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(bǔ)上場(chǎng)，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(shí)上，大腦很像一臺(tái)待在黑暗腦殼里的解碼器。當(dāng)外界的各種感官信息輸送進(jìn)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(huì)被統(tǒng)一轉(zhuǎn)換成腦中的通用語言：電化學(xué)信號(hào)。

正是這黑暗劇場(chǎng)里的生物化學(xué)反應(yīng)，形成了我們對(duì)現(xiàn)實(shí)的所有感知。

圖片來源：Pixabay

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

這要?dú)w功于幾百萬年的生物進(jìn)化，將大腦打造成了隨機(jī)應(yīng)變的“大咖”?；酁樯衿娴某瑥?qiáng)學(xué)習(xí)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(yùn)用于復(fù)健醫(yī)學(xué)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(shè)計(jì)。比如，通過給耳朵輸送聲音，或是采用小幅振動(dòng)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(xì)想來，這也是大腦正常運(yùn)作的結(jié)果。

無獨(dú)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(xué)家大衛(wèi)·伊格曼（David Eagleman）團(tuán)隊(duì)為聽障人士，精心設(shè)計(jì)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(fēng)，能對(duì)外界聲音進(jìn)行實(shí)時(shí)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(dòng)電機(jī)。電機(jī)能根據(jù)聲音的頻率，激活動(dòng)態(tài)的振動(dòng)模式，再傳送給整個(gè)軀干。

“背心”的工作原理 （圖片來源：eagleman.com ）

這項(xiàng)可穿戴技術(shù)也能在手機(jī)、平板電腦等移動(dòng)設(shè)備上運(yùn)行。設(shè)備一旦捕捉到環(huán)境里的聲音，就會(huì)通過藍(lán)牙將信號(hào)映射到電機(jī)上。

“背心”在移動(dòng)設(shè)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(xiàn)3）

適應(yīng)“背心”發(fā)出的振動(dòng)信號(hào)，就像是在學(xué)習(xí)一種新的語言。 起初，這些外來信號(hào)難以捉摸。但經(jīng)過足夠的訓(xùn)練，大腦會(huì)交叉對(duì)比不同的后背觸感，并逐漸學(xué)會(huì)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(gè)詞語與具體的振動(dòng)模式匹配起來。

實(shí)驗(yàn)表明，每天穿“背心”2小時(shí)，在不到一周的時(shí)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(xiàng)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(yàn)。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(jìn)了一個(gè)小巧的手環(huán)里，并給它起了一個(gè)生動(dòng)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(guān)、用戶設(shè)置按鈕、一個(gè)麥克風(fēng)以及一個(gè)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(gè)捕捉環(huán)境聲音的麥克風(fēng)、4個(gè)振動(dòng)電機(jī)以及精密的信號(hào)處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)能像“背心”那樣，將外界信號(hào)經(jīng)由“聲音-觸感”（sound-to-touch）算法編碼后，轉(zhuǎn)化成電機(jī)輸出的動(dòng)態(tài)振動(dòng)模式。

麥克風(fēng)捕捉到的聲音信號(hào)，經(jīng)過微控制器處理后，轉(zhuǎn)化成4個(gè)電機(jī)輸出的不同振動(dòng)模式。每個(gè)振動(dòng)點(diǎn)是8.2mmX8.5mm的長(zhǎng)方形區(qū)域 （圖片來源：參考文獻(xiàn)1）

僅僅只有4個(gè)振動(dòng)刺激點(diǎn)的手環(huán)，能傳遞出足夠多的觸感信號(hào)嗎？

研究團(tuán)隊(duì)在失聰和聽力嚴(yán)重受損的18名患者身上，進(jìn)行了為期一個(gè)月的監(jiān)測(cè)。在這段時(shí)間的日常生活中，患者每天至少佩戴手環(huán)4小時(shí)。從剛佩戴手環(huán)的那天起，患者每隔兩周接受一輪測(cè)試。

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

進(jìn)一步研究后發(fā)現(xiàn)，患者還能學(xué)會(huì)識(shí)別日常生活里的聲音。他們的學(xué)習(xí)素材涉及嬰兒的哭泣聲、汽車?yán)嚷?、鬧鐘聲以及鼓掌聲等14個(gè)類別。

令人欣喜的是，他們的識(shí)別能力隨著佩戴天數(shù)的增加而提高。

圖片來源：Pixabay

事實(shí)證明，隨著對(duì)手環(huán)功能的不斷適應(yīng)，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(xué)習(xí)能力，為受限的感官知覺，帶來了全新的可能。

參考文獻(xiàn)：

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(jī)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