产地：科普中国
制作：张淑玉
监督：中国科学院计算机网络信息中心
在不可逆的损伤之后，你还能看到你的眼睛吗？
神经科学发现，大脑有一种特殊的天赋，不依靠眼睛来教天生的盲人"看东西"。
图片来源：Veer Gallery
躺在按摩椅上，天生的盲人可以"看到"球的到来
1969年，《自然》杂志发表了一篇科幻论文，详细介绍了一种奇怪的工具，可以"按摩"盲人的背部，以便他们能够"看到"事物。
让我们还原实验室方案：
一个先天性失明的男人，没有视觉经验，躺在一把类似于牙科治疗的椅子上。在他旁边安装了一台带有变焦镜头的老式相机。
治疗师用手移动相机，扫描盲人面前的景象。由此产生的图像被传输到其后面的仪器中，该仪器将处理后的视觉信号传输到治疗椅背面的刺激点矩阵。
具体来说，场景的弱光部分，相应的矩阵刺激点会振动，而强光部分，不会振动。这些接触直接刺激盲人的背部皮肤，就像按摩椅一样。
巴赫-利塔发明了"视觉辅助"。镜头在图中的位置朝向模拟人眼的视角，使盲人能够感知他面前的物体（图片来源：Ref. 2）
经过20-40个小时的强化训练，神奇的事情发生了 - 盲人不仅能够区分不同的线条，如垂直线，斜杠和曲线，还可以区分常见的几何形状，如圆形，矩形，三角形等。
在学习操作相机后，变焦镜头允许盲人瞄准房间中的不同位置，以识别手机，椅子，杯子等物体（即使部分遮挡）并描述它们之间的位置关系。
渐渐地，他们开始感知眼前的三维空间：
对象的距离可能导致图像大小发生变化。
从不同角度看物体，其形状失真;
对象的背光表面投射阴影等。如果有人向镜头扔球，盲人自然会避开它。
有了这种"触觉视觉"仪器，盲人甚至学会了识别人脸（例如，著名模特的面孔）。
更不可思议的是，他们还能"观察"人物外表和举止的变化。
例如，他们描述了一个女人："她今天放弃了头发，没有戴眼镜。她把右手移到脑后。"
激励点矩阵的振动模式在监测示波器上投射二维图像。
该图像显示了人脸的图像。經過長時間的訓練，盲人可以學會識別類似複雜的觸覺模式（圖片來源：Ref. 2）
为什么刺激背部，大脑才能"看见"？
该研究的主要作者Paul Bach-y-Rita仔细观察和研究了使用盲杖的盲人。当盲人走路时，他或她可以阅读盲杖，盲杖的尖端通过皮肤上的触觉告诉盲人道路状况。
巴赫-丽塔受到启发：盲人手杖可以被看作是盲人和物体之间的"界面"。通过手上盲杖的压力触摸，形成房间装饰等空间信息。
因此，手上的皮肤及其触觉感受器就像一个信息收集站。它们可以取代视网膜，并允许图像在大脑中形成。
"按摩椅"是盲人"看"的类似方式。简单地说，是大脑在看事物，而不是眼睛。
图片来源：Pixabay
大脑的随机应变
巴赫-利塔的这个前瞻性实验证实了"感官替代"理论。
具体来说，这是指负责视觉功能的重要神经通路，一旦破裂或阻塞，就会绕过大脑。
控制触觉的神经通路很少用于视觉感知，但现在可以作为替代来扮演"看到事物"的角色。似乎大脑也知道"通往罗马的路"。
事实上，大脑很像黑暗大脑外壳中的解码器。当来自外部世界的感觉信息被发送进来时，无论是光子、空气压缩波、分子浓度，还是压力、质地或温度，它都会被均匀地翻译成大脑中的通用语言：电化学信号。
正是这个黑暗剧场中的生化反应构成了我们对现实的所有感知。
即使感知到的信号来自不寻常的感觉神经通路，大脑也会通过不断学习和理解新信号来应对重组感官感知的挑战。
这要归功于数百万年的生物进化，它把大脑变成了随机性的"大咖喱"。腐朽成一种神奇的超级学习能力，它源于人脑神经的柔韧性和可塑性。
Bach-Lita是将脑神经可塑性用于康复医学的先驱。
继"按摩椅"之后，世界上出现了一些更现代的设计。例如，视觉信息通过向耳朵传递声音，或通过用小振动刺激前额或舌头来传递到大脑。你可以在没有眼睛的情况下"看到"。乍一看，这听起来像是一个特殊的功能。但仔细想想，这也是大脑正常运作的结果。
听力也可以独立于耳朵。
或者，"倾听"世界
神经科学家David Eagleman的团队为听力障碍者设计了一种助听器 - 可变超传感器传感器，或VEST，通常称为背心）。
背心配有一个麦克风，可以实时编码外部世界的声音。强制编码。
然后将编码信息映射到背心上的一些微小的振动电机。电机根据声音的频率激活动态振动模式，并将其传输到整个躯干。
背心的工作原理（照片：eagleman.com）
可穿戴技术也可用于手机和平板电脑等移动设备。一旦设备捕获环境中的声音，它就会通过蓝牙将信号映射到电机。
"背心"在移动设备上的工作原理（上图）;"背心"（中）的正面和背面;和伊格曼展示了"背心"的穿着方式（下图）（图片来源：参考文献3）
适应背心的振动信号就像学习一门新语言。起初，这些外部信号是难以捉摸的。但是通过足够的训练，大脑会交叉对比不同的背部触摸，并逐渐学会从中提取模式，将背心的语言转化为可以理解的信息。例如，大脑可以将单词与特定的振动模式相匹配。
实验表明，每天穿背心两个小时，在不到一周的时间里，有听力障碍的人能够正确地拼出别人说的话。
Igerman先生说，这项专利技术不仅可以使患者免于人工耳蜗植入，还可以为他们提供直接的听力体验。这类似于盲人触摸盲文来理解单词的含义。
故事还没有结束，后续工程师上帝又来了！他们将背心的核心技术浓缩成一个小手镯，并给它起了一个生动的名字"Buzz"，意思是"嗡嗡"。
手镯的界面配有电源开关，用户设置按钮，麦克风和微控制器。（照片：Neosensory.com）
手镯很小，但它具有所有功能。它具有一个可捕捉环境声音的麦克风，四个振动电机和一个复杂的信号处理系统。系统可以像"背心"一样，将外部信号通过"声音到触摸"算法编码，进入电机输出的动态振动模式。
（图片来源：参考文献1）
麦克风捕获的声音信号由微控制器处理，并转换为不同的振动模式，用于四个电机的输出。每个振动点为8.2mmX8.5mm的矩形区域
只有四个振动刺激点的手镯能发出足够的触觉信号吗？
该团队监测了18名耳聋和严重听力障碍患者一个月。在日常生活的这段时间里，患者每天至少佩戴手镯4小时。从第一次佩戴手镯的那天起，患者每两周接受一次检测。
数据显示，患者可以学会区分从单词音频转换而来的不同振动模式。他们可以从相似但不同的单词中识别振动模式。
进一步的研究发现，患者还可以学会识别日常生活中的声音。他们的学习材料涵盖了14个类别，包括婴儿哭泣，汽车喇叭，闹钟和鼓掌。
令人高兴的是，他们的识别能力随着佩戴天数的增加而增加。
事实证明，随着竞争对手戒指功能的适应，佩戴者逐渐能够更好地感知他周围的声音世界。
好故事还在继续。相信手镯会给更多有听力障碍的人带来希望。
人类大脑的这种衰败是神奇的学习能力所独有的，为有限的感官知觉带来了新的可能性。
引用：
佩罗塔，M.V.，阿斯盖尔斯多蒂尔，T.，伊格尔曼，D.M。.（2021）. 通过皮肤上的振动模式破译声音.神经科学 （4）.
Bach-Y-Rita， P. Collins， C.C. ， Saunders， F.A.， White， B.， Scadden， L..（1969）. 通过触觉图像投影进行视觉替代.自然， 221， 963–964.
诺维奇， S. D. ， ..伊格尔曼.M ..（2014）. 一种用于聋哑人和重度听力障碍者的振动触觉感觉替代装置.2014 IEEE 触觉研讨会（触觉）。IEEE.
Norman Doig， Reinventing the Brain， Reinventing Life （2015） Mechanical Industries Press
大卫·伊格曼《大脑的故事》（2019）浙江教育出版社
我们能为人类创造新的感官吗？|泰德
https://www.ted.com/talks/david_eagleman_can_we_create_new_senses_for_humans/transcript?language=zh-cn