互动科普

在感觉替代研究的早期，人们通过摄像机把图像转换成电信号，然后刺激皮肤中的感觉末梢。不过这遇到了不少困难，首先是除了指尖、嘴唇等少数部位的皮肤之外，大部分皮肤触觉感受的空间分辨率很差，另外由于干燥皮肤的电阻很大，要想刺激到皮肤中的感觉末梢就要用到相当高的电压而不够安全。于是科学家想到了舌头，这不仅因为舌头上的触觉感受空间分辨率很高，而且舌头一直处于充满电解质的环境中，和电极有良好的接触，所以只要很低的电压（相对于刺激指尖来说，只需要3%的电压）就能进行有效的刺激。

这种系统包括一个戴在头上的摄像机，它把光信号转换成电信号，通过电缆传送到置于盲人舌头表面的一个柔软的电极阵列上。在经过一段时间训练之后，盲人就学会根据舌头上接受到的触觉刺激产生一种类似视觉的知觉。美国感觉替代研究的先驱保罗·巴赫-伊-利塔（Paul Bach-y-Rita）这样解释道：皮肤把从人工感受器（摄像机）传来的信息传输到脑，起到了信息中继站的作用。盲人通过练习可以学会根据不同的情况去处理这些信息。他们不会把通过摄像机传来的信息和触觉、温觉等皮肤的正常感觉混淆起来。

20世纪60年代末，16岁的美国少年罗杰·贝姆（Roger Behm）因为视网膜退行性病变而致盲。四十多年后，他听说了这样的感觉替代装置。在刚开始使用的时候他不知所措，但很快就学会了区分静止和运动的对象。不久之后，他学会了识别三角形、圆等简单的几何图形，慢慢又学会了识别杯子、椅子和电话机等日常用品。之后他更学会了在不太复杂的环境里自由行走。在知觉上，他感到东西就在外界所在的位置上，而不是在他的舌头上。更令人惊奇的是，尽管感觉替代装置的分辨率很低，被试还是能够感受到相当复杂的图像，这里的关键就是大脑的可塑性。脑成像研究表明，当被试利用触觉-视觉替代装置感受图像时，视觉皮层也被激活，但其确切的脑机制现在还不明了。

图1. 以舌代目的感觉替代装置

摄像机安装在墨镜的正中，其输出通过电缆送到转换装置转换成若干路低压脉冲串，每一路对应于一个像素。这些脉冲串被输送到含在口中的对应的电极阵列，从而刺激舌头上的触觉感受器。 图/Wicab

你或许会好奇，这种以舌代目究竟是一种什么样的感觉，是不是真的“看”到了东西呢？下面是一位受试者，美国威斯康星大学的研究生卡拉·贝克（Carla Becker）的自述：

“我正坐在一张用黑布蒙起来的桌子旁，周围也都是黑色的幕布。在我的面前放了不少蜡烛、小球，还有我不熟悉的东西。我的右手、右臂和头上绑了不少导线，我的嘴里放满了电极。蒙上了双眼……

“凯西·凯姆（Kathi Kamm）把一台微型摄像机绑在我的额头，并连接到从我嘴中拖下来的塑料长条中去。一台台式计算机把摄像机产生的图像的像素减少到144。这些像素被转换成电流再输送到塑料带的一端，我的舌头上则安放了12乘12个电极的阵列。

“凯姆就坐在我的前面。她告诉我她手中拿有一个球。但是当她把球在台布上滚来滚去时，我听不到任何声音。她说球就要向我滚过来了，可能滚到我的右侧，也可能滚到我的左侧，也可能直奔而来。但是不论是我的眼睛，还是我的耳朵都无从知晓。

“现在就靠舌头了。除了嘴唇以外，身体上没有哪一个部分有比舌头上更多的触觉神经末梢。摄像机看到的图像就传送到了我的润湿而导电性良好的舌头表面。当凯姆把球滚过来的时候，我被蒙上了的双眼一无所见，但是从我的舌头上传过一阵刺痛感。当她把球向我滚来时，我的手伸向左边。

“我抓住了球！

“……这些图像有股酸酸的味道，就好像酷暑阵雨的冲击。它们确实给我某种东西在哪儿的感觉，但是这就是视觉吗？

“从实用的角度来说，答案也许无关紧要。当凯姆把一个白色的小立方体放在桌子的某个地方，尽管我蒙上了眼睛，但是十次中有九次，我一伸手就能拿到它。对于写得很大的字母，只要我的头可以动，这样就可以更好地感觉到它的轮廓，我甚至还能辨别得出这是什么字母。如果让我再带这个设备几小时，也许我最后会学会完全忽略掉嘴里的刺痛感，只是看东西。不过这就是视觉吗？”

关于这种感觉到底是不是视觉的问题，现在还有争论。研究脑可塑性的先驱、美国神经科学家迈克尔·默策尼希（Michael Merzenich）评论说，这是一个非常好的替代装置，不过他怀疑这和真正看东西并不相同，他说：“如果它没有刺激视网膜，那么在我看来，这就不大可能是在看。”巴赫-伊-利塔回应说：“我完全不同意。视神经一点也没有什么特别之处。脑并不在乎信息从哪儿来。你一定要视觉输入才能看吗？不。如果你能对光起反应并且有知觉，那么这就是视觉。”

图2. 受试者的各种头部姿态所引起的舌头上感觉的对应位置  图/TCNL

巴赫-伊-利塔认为感觉替代不一定要局限于视觉代偿。前面讲过的为麻风病人特制的手套系统就是一种触觉-触觉替代。人们也在研究用视觉替代听觉等其他各种形式的感觉替代。这方面最为人津津乐道的一项成果可能要算巴赫-伊-利塔所做的平衡觉替代了。

1997年，美国妇女谢丽尔·席尔兹（Cheryl Schiltz）由于庆大霉素的副作用破坏了内耳半规管中的毛细胞。这些细胞向大脑传送有关身体姿态的信息，脑由此确定我们是否站直了，当身体倾斜时就进行纠正。席尔兹的毛细胞坏死之后，她的平衡中枢（前庭核）就向肌肉乱发信号，而使她摇摇晃晃。更糟的是，她总是感到自己摇摇欲坠，即使躺在床上也是如此，她称自己是个“摇摆人”（wobber）。席尔兹在自己家里还能勉强行走，而到了室外就一筹莫展了。有些和她一样的摇摆人因为不堪其苦而选择了自杀。

一开始，席尔兹对巴赫-伊-利塔团队的工作心存疑虑，但还是让他们给自己戴上了一顶头盔，里面藏有加速度检测装置，信号线连接到安置在她舌上的电极上。当她正立时，她感到在舌头正中受到刺激，当她低头、仰头或是把头转向一侧时，她就感到刺激移向前、后或是旁边。所以她的目标就是要努力调整姿势使得刺激一直落在舌头的中心。开始时她感觉很怪异，但是很快就掌握了这种刺激的意义。5分钟之后，她就能完全靠自己站稳几秒钟。有一天她练习了20分钟，发现自己居然可以稳步行走。进一步的练习使她在平衡方面取得更大的进步，最后她竟然学会了跳绳和骑自行车。席尔兹后来开始训练他人学习使用这套装置，甚至训练巴赫-伊-利塔本人。2004年，巴赫-伊-利塔经诊断得了癌症，化疗破坏了他的内耳毛细胞，使他也失去了平衡感。席尔兹反过来教会他使用他自己发明的那套装置，使他又能重新走路，直至2006年去世。

感觉替代研究正在向更多的方面拓展，有些甚至超越了“替代”，而能感知到原来感知不到的刺激，例如红外线、磁场等，这被称为“感觉增强”。巴赫-伊-利塔说：“不管什么量，只要是我们可以测量的，都可以传输到脑。脑就可以学会使用它。”美国海军和他合作，希望让人在保持正常视力的同时，还能通过他的舌头装置用红外线看到黑暗的水下情况。美国航天局也和他合作，希望用他的装置让宇航员可以感觉到宇航服外面的情况。不幸的是，正当他准备大展宏图的时候，却于2006年年底去世了。不过，科学家们还在继续着这方面的研究。

（本文发表于《科学世界》2016年第11期）