$诚益通(SZ300430)$  

专访中国科学院刘冰副研究员：深耕侵入式脑机接口20年，填补国内视觉重建技术空白

脑机接口产业联盟 2025年01月08日 09:14 北京 听全文

以下文章来源于动脉网 ，作者施懿

动脉网.

动脉网（www.vbdata.cn）聚焦于技术驱动下生命健康领域产业创新和变革的报道与研究。

资讯速递

近日，视觉重建技术再一次引发关注。

埃隆·马斯克旗下的脑机接口公司Neuralink宣布，其应用大脑植入芯片的“盲视技术”Blindsight获美国食品药品监督管理局（FDA）“突破性医疗器械”认证，同时获得加拿大批准启动在该国的首次临床试验，开始招募受试者。

然而，视觉重建技术并非一个新鲜的概念。早在20世纪60年代，剑桥大学团队便通过光幻视研究验证了电刺激实现视觉重建技术的可能性。经过无数科学家数十年的不断打磨、迭代，如今视觉重建技术终于落地现实。

在中国视觉重建技术正初露头角，中国科学院自动化研究所的刘冰副研究员便是先行者之一。刘冰博士在神经科学、脑机接口以及视觉神经研究方面有丰富的科研经验，从2006年开始他便持续关注视觉重建技术，他向我们分享了他对视觉重建技术现状和未来的见解。

01

填补国内视觉重建技术空白

目前，视觉重建技术主要有两个发展方向。一种是通过视网膜进行光电转换，利用电刺激替代视网膜进行光电转换过程，从而重建视觉；另一种则是在初级视觉皮层进行电刺激，直接作用于大脑，使患者能够感知外部世界。

经过数年发展，海外已出现通过视网膜刺激成功实现视觉重建的商业化案例。2013年，获FDA批准的Argus Ⅱ仿生眼便是通过将进入眼球的光线转化为电子信号直接传送至视神经，进而使视障患者能够“重见光明”。

这款产品一度红极一时，其生产商Second Sight也因此被誉为失明神经调节设备领域的全球领导者。

然而随着研究越发深入，以及视障患者的需求逐渐明确，光电刺激视网膜的方式也暴露出不少短板。首先，由于视网膜面积有限，其可植入的电极阵列数量也将受限，电极阵列可能无法与视网膜上光感受器的密度相匹配，视觉质量也将大打折扣。其次，目前的技术还无法完全模拟自然视觉的复杂性，包括色彩感知、动态视觉等。

另外，这种技术仅对部分眼疾患者有效，如眼球萎缩、眼球摘除等视网膜缺失的患者则无法通过这类技术恢复视觉。

基于此，直接作用于脑神经的视觉重建技术受到了广泛关注。而Neuralink研发的“盲视”便是采用这一技术路径。Neuralink在视障患者脑中植入接口器件，随后将外界的光信号转为电信号，绕过人类视觉系统前端，直接无线导入大脑，通过芯片直接刺激视觉皮层生成图像。这或许是人工视网膜之后，面对严重眼疾的另一条新路。

不难看出，海外已有企业在视觉重建技术的探索上，已经走出了一条从理论到产品，未来可能商业化的道路。据海外某脑机接口公司上市提交的市场规模测算逻辑，以美国可触达全盲患者82000人计算，全美视觉重建技术市场规模可达40亿美元。以此类推，据IAPB（国际防盲协会）2020年统计（最新统计数据为2020年），中国全盲患者数量约为869万人，位列全球第二，预计市场需求为8900亿人民币。

由于国内前期基础较为薄弱，面对百亿蓝海目前视觉重建领域暂无先例国产可循。2011年，刘冰博士从中国科学院生物物理研究所，脑与认知国家重点实验室毕业后，便前往美国深造。在芝加哥大学神经科学系、加州大学伯克利EECS、杜克大学神经生物学系等诸多世界知名脑科学实验室有丰富的科研经验。2023年，刘冰博士决定带着所学、所实践的脑机接口以及视觉重建技术回国继续研发，填补国内视觉重建技术的空白。

02

双管齐下，让眼盲患者“看见”真实、准确的画面

通俗来说，视觉重建的流程主要分为采集外界信息、转码为光电信息、刺激视觉神经三大步骤，而每一步骤都存在诸多挑战。如外部采集的完整性、数据转码有效性、神经刺激精准性等。刘博士团队经过数十年的努力，目前已经总结出了一套完整的解决方案。

首先，视觉重建技术的主要目的是让使用者能够获得更为准确、真实的反馈画面。目前的视觉重建技术主要依赖于视觉皮层的空间拓扑信息，并没有充分考虑视觉皮层介观功能组织结构和神经元群体的编码特性。因此，视觉重建研究亟须一套从群体神经元刺激的时空模式到视觉场景感知的转换模型，以及从视觉图像到刺激编码的转换模型。

为解决这一问题，团队设计了一款视觉采集外设，并基于神经机制的深入研究开发了符合视觉神经驱动的刺激模式系统。通过这套系统，团队能够模拟大脑视觉神经传输模式，让使用者“看见”画面。

此外，精准的神经刺激也是重要的一环。为找到不同患者最恰当的刺激点，团队会在电极植入术前通过MRI确定皮层位置，并在电极植入后对大脑皮层进行电刺激，并记录下患者能够感知到的光点以及线条等，这些简单的画面组成的内容被团队称为phosphene map（大脑光晕地图）。在视觉神经刺激反映原理暂不明晰的情况下，phosphene map能够反应出电极刺激与患者感知到的视觉现象之间的对应关系。通过这张“地图”，研究人员便能对刺激画面进行个性化调整，使得使用者能够获得更为准确的画面。

在视觉重建技术领域，强大的软件技术与先进的硬件设施缺一不可。但目前国内植入式电极的临床试验和审批流程尚未成熟，这为技术的应用和推广带来了挑战。

为了克服这些挑战加速技术成果的转化，刘博士团队通过组合多个实体贴片式电极来模拟虚拟电极的功能。这种设计不仅提高了视觉重建的精确度，而且增加了系统的灵活性和可扩展性。通过这种方式，团队能够在现有的技术框架内，实现更精细的视觉刺激和重建，为患者提供更高质量的视觉体验。

刘博士表示:”未来，团队还在积极探索与国际标准的接轨，以期为视觉重建技术的发展贡献中国智慧。”

03

目前仍是国产视觉重建技术发展的黄金时间

目前刘博士团队正在打造首款国产视觉重建设备样机，为后续转化落地做准备。下一步，团队还将深入研究，优化刺激模式、电极设计的改进以及信号处理算法等，以期为使用者提供更精细、丰富，甚至是彩色的视觉刺激效果。

此外，在刘冰博士看来仅有开环刺激，没有闭环反馈的视觉重建技术是不完整的。事实上，大脑具有较强的学习和可塑性，能够根据经验调整其反应，在植入视觉刺激电极后，大脑很可能会生成新的视觉感知模式。因此，只有得到反馈信息后，分析每位患者对刺激的反应可能存在差异，才能确保刺激始终与患者的感知和需求相匹配。

众览全球，尚未有一款视觉重建产品实现广泛普及。因此，在刘冰博士看来，目前仍是国产视觉重建技术发展的黄金时期。通过不断的技术创新和研发投入，国产科研团队正在努力缩小与国际先进水平的差距。刘冰博士表示：“未来随着团队研究的深入和技术的成熟，国产视觉重建技术将逐步走向成熟，为广大患者带来福音。”

来源：本文来源于“动脉网”，仅用于学术资讯分享，如有侵权请联系管理员删除。