先天盲人，不用眼睛也能“看見”飛來的球
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”。
Part.1
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，通過“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後背皮膚，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，能夠導致圖像產生大小變化；
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。
圖像顯示的是人臉形象。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）
爲什麼刺激後背，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，盲杖的尖端經由皮膚上的觸覺感受體，來告訴盲人路況信息。
巴赫-利塔深受啓發：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。
Part.2
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，但是現在能作爲替補上場，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裏的解碼器。當外界的各種感官信息輸送進來後，不管這些信息是光子、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：電化學信號。
正是這黑暗劇場裏的生物化學反應，形成了我們對現實的所有感知。
即使感知信號來自非同尋常的感覺神經通路，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”。化腐朽爲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，通過給耳朵輸送聲音，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果。
無獨有偶，聽覺也可以不依賴耳朵。
Part.3
另類方式“聆聽”世界
神經科學家大衛·伊格曼（David Eagleman）團隊爲聽障人士，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。電機能根據聲音的頻率，激活動態的振動模式，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、平板電腦等移動設備上運行。設備一旦捕捉到環境裏的聲音，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，在不到一週的時間裏，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爲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。這就類似盲人通過觸摸盲文，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裏，並給它起了一個生動形象的名字——“Buzz”，意爲“發出嗡嗡聲”。
手環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信號處理系統。該系統能像“背心”那樣，將外界信號經由“聲音-觸感”（sound-to-touch）算法編碼後，轉化成電機輸出的動態振動模式。
麥克風捕捉到的聲音信號，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
（圖片來源：參考文獻1）
僅僅只有4個振動刺激點的手環，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，進行了爲期一個月的監測。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。
數據顯示，患者能夠學會區分由單詞音頻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裏的聲音。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，他們的識別能力隨着佩戴天數的增加而提高。
事實證明，隨着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。相信手環能爲更多的聽障人士帶去希望。
人類大腦特有的這種化腐朽爲神奇的學習能力，爲受限的感官知覺，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）機械工業出版社
5。大衛·伊格曼 《大腦的故事》（2019） 浙江教育出版社
6。我們能爲人類創造新感官嗎？| TED
7.https：//www.ted.com/talks/david_eagleman_can_we_create_new_senses_for_humans/transcript？language=zh-cn
出品：科普中國
製作：張舒喻
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