出品：科普中國
製作：張舒喻
監製：中國科學院計算機網路資訊中心
眼睛受到不可逆轉的損傷後，還能看得見嗎?
神經科學發現，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”。
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躺進“按摩椅”，先天盲人也能“看見”飛來的球
1969年，《自然》刊發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，透過“按摩”盲人的後背，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後的儀器中，儀器把經過處理的視覺訊號，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後背面板，像是按摩椅一樣。
巴赫-利塔發明的“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 ）
經過20-40個小時的密集訓練後，神奇的事情發生了——盲人不僅能夠區分垂直線、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。
在學會操控攝影機後，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（即使被部分地遮擋住），並描述它們之間的位置關係。
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，能夠導致影象產生大小變化；
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。
藉助這個“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：“她今天把長髮放下來了，而且沒有戴眼鏡。她正把右手移到腦後。”
刺激點矩陣的振動模式在監控示波器上，投射出一個二維影像。
影象顯示的是人臉形象。經過長時間的訓練，盲人能夠學會識別類似複雜程度的觸感模式（圖片來源：參考文獻2）
為什麼刺激後背，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，進行了細緻的觀察和研究。盲人在行走時，會前後掃動盲杖，盲杖的尖端經由面板上的觸覺感受體，來告訴盲人路況資訊。
巴赫-利塔深受啟發：盲杖可以看作是盲人和物體之間的“介面”。透過盲杖在手上的壓力觸感，形成諸如房間擺設這樣的空間資訊。
因此，手上的面板及其觸覺感受體，就像一個資訊收集站。它們可以替代視網膜，使影象在大腦中形成。
“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通路，本來在視知覺中極少被用到，但是現在能作為替補上場，發揮“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裡的解碼器。當外界的各種感官資訊輸送進來後，不管這些資訊是光子、空氣壓縮波、分子濃度，還是壓力、質地或溫度，都會被統一轉換成腦中的通用語言：電化學訊號。
正是這黑暗劇場裡的生物化學反應，形成了我們對現實的所有感知。
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即使感知訊號來自非同尋常的感覺神經通路，大腦也會迎難而上，透過不斷地學習、理解新的訊號，來重新組織感官知覺。
這要歸功於幾百萬年的生物進化，將大腦打造成了隨機應變的“大咖”。化腐朽為神奇的超強學習能力，正是源於人類大腦神經的靈活可塑性。
巴赫-利塔是將大腦神經的可塑性，運用於復健醫學的先驅。
繼“按摩椅”之後，世界上湧現出了一些更現代化的設計。比如，透過給耳朵輸送聲音，或是採用小幅振動刺激前額或舌頭的方式，來向大腦傳遞視覺資訊。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
神經科學家大衛·伊格曼（David Eagleman）團隊為聽障人士，精心設計了一款助聽神器——可變超感官感測器（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）。
編碼資訊隨即對映給“背心”上的一些微小振動電機。電機能根據聲音的頻率，啟用動態的振動模式，再傳送給整個軀幹。
“背心”的工作原理 （圖片來源：eagleman.com ）
這項可穿戴技術也能在手機、平板電腦等移動裝置上執行。裝置一旦捕捉到環境裡的聲音，就會透過藍芽將訊號對映到電機上。
“背心”在移動裝置條件下的工作原理（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”發出的振動訊號，就像是在學習一種新的語言。 起初，這些外來訊號難以捉摸。但經過足夠的訓練，大腦會交叉對比不同的後背觸感，並逐漸學會從中提取規律，把“背心”的語言，轉換成能夠理解的資訊。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，在不到一週的時間裡，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，這項專利技術不僅能為患者免去耳蝸移植手術帶來的侵害，而且有望讓他們獲得直接的聽覺感受體驗。這就類似盲人透過觸控盲文，來理解文字的含義。
故事還沒結束，後續工程師們又神來一筆！他們將“背心”的核心技術，濃縮進了一個小巧的手環裡，並給它起了一個生動形象的名字——“Buzz”，意為“發出嗡嗡聲”。
手環的介面安裝有電源開關、使用者設定按鈕、一個麥克風以及一個微控制器。（圖片來源：Neosensory.com ）
手環的介面安裝有電源開關、使用者設定按鈕、一個麥克風以及一個微控制器。（圖片來源：Neosensory.com ）
手環雖小，但功能俱全。它配有1個捕捉環境聲音的麥克風、4個振動電機以及精密的訊號處理系統。該系統能像“背心”那樣，將外界訊號經由“聲音-觸感”（sound-to-touch）演算法編碼後，轉化成電機輸出的動態振動模式。
（圖片來源：參考文獻1）
麥克風捕捉到的聲音訊號，經過微控制器處理後，轉化成4個電機輸出的不同振動模式。每個振動點是8.2mmX8.5mm的長方形區域
僅僅只有4個振動刺激點的手環，能傳遞出足夠多的觸感訊號嗎？
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測。在這段時間的日常生活中，患者每天至少佩戴手環4小時。從剛佩戴手環的那天起，患者每隔兩週接受一輪測試。
資料顯示，患者能夠學會區分由單詞音訊轉化而成的不同振動模式。並且，他們也能辨認出，來自相似但不同單詞的振動模式。
進一步研究後發現，患者還能學會識別日常生活裡的聲音。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的增加而提高。
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事實證明，隨著對手環功能的不斷適應，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。相信手環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：
- Perrotta, M. V. , Asgeirsdottir, T. , & Eagleman, D. M. . (2021). Deciphering sounds through patterns of vibration on the skin. Neuroscience (4).
- 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.
- 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.
- 諾曼·道伊奇 《重塑大腦，重塑人生》（2015）機械工業出版社
- 大衛·伊格曼 《大腦的故事》（2019) 浙江教育出版社
- 我們能為人類創造新感官嗎？| TED
- https://www.ted.com/talks/david_eagleman_can_we_create_new_senses_for_humans/transcript?language=zh-cn
