Argus II用户的感知体验

视网膜色素变性和黄斑变性等视网膜营养不良导致全世界超过 1000 万人严重视力受损。 一种治疗技术，视觉神经假体，旨在通过电刺激视网膜或早期视觉皮层中的存活细胞来恢复视力，类似于人工耳蜗。 两种设备获准用于商业用途，其他设备计划在几年内开始临床试验。 然而，由于植入电子设备和底层神经生理学之间的相互作用，目前的设备存在大量的感知失真。 在这里，研究人员将结合人类心理物理学、计算建模、虚拟现实 (VR) 和机器学习 (ML)，为视觉假体患者开发和验证新的刺激方案，以减少知觉扭曲，从而提高神经假体的有效性。

目标 1：使用经心理物理学验证的光幻视模型优化刺激方案。

假肢设备制造商目前使用的简单模拟协议没有考虑到临床试验中报告的感知失真。 相比之下，基于心理物理学数据的计算模型可以更好地预测 Argus II（第二视力）用户的感知扭曲。

1. 研究人员将通过刺激单个、成对和多个电极的任意组合来从心理物理学上验证计算模型。 该模型将在 Argus II 患者身上进行测试，并将他们的表现与“虚拟患者”视力的受试者观看模型生成的感知进行比较。
2. 使用模型生成的训练集，研究人员将训练一个深度神经网络来学习模型的近似逆变换，该模型可用于识别刺激协议，最大限度地减少定向光栅和移动条的感知失真。 然后，研究人员将测试这是否会提高 Argus II 和虚拟患者在方位辨别和运动方向识别任务中的表现。

目标 2：通过整合可进一步优化刺激方案的电生理数据来开发改进模型。

目标 1 中开发的模型基于心理物理学数据。 然而，上述扭曲也在体外观察到。 为此，研究人员将开发一个改进的模型来研究时空神经元动力学如何影响假肢的有效性。 这将扩大搜索优化协议的搜索空间。 调查人员将：

1. 逐步将文献中的关键生理观察结果纳入上述模型。 在每一步之后，将测量这些改变对模型预测心理物理数据的能力的影响。
2. 使用深度神经网络学习这个更复杂的改进模型的近似逆变换，并测试这是否提高了 Argus II 和虚拟患者在方位辨别和运动方向识别任务中的表现。

目标 3：通过将计算机视觉应用于 VR 中的“虚拟患者”来开发新颖的刺激方案。

研究人员将在 VR 中嵌入在 Aim 2 中开发的模型，以生成“VR 虚拟患者”，以使用视觉上典型的个体快速有效地测试新的刺激方案。 产生良好 VR 性能的协议将在真正的假体患者中得到验证。 调查人员将：

1. 使用 VR 虚拟患者预测 Argus II 用户在两点辨别任务中的系统误差。
2. 在 VR 中使用视情况显示评估眼球运动对行为表现的影响。
3. 通过测量 VR 中对象识别任务的行为指标，评估计算机视觉预处理方法（例如边缘增强、重定向和整理）改善视觉的潜力。 最有前途的技术将在 Argus II 患者身上进行测试。

这些实验旨在量化视网膜假体患者的感知体验，并遵循收集行为数据的标准程序。 将患者的表现与视力正常的对照受试者的表现进行比较，这些受试者观看被操纵以匹配假体患者的预期感知体验的刺激。

研究人员将通过直接刺激电极（使用 FDA 批准的脉冲序列）或要求他们查看计算机或投影仪屏幕并使用标准的 FDA 批准的刺激协议（作为他们的设备标准使用的）来转换患者的视觉感知计算机或投影仪屏幕图像在其电极上转化为脉冲序列。 所有刺激方案都将获得 FDA 批准。 控制对象将在计算机显示器上或通过虚拟现实 (VR) 系统查看刺激。 在某些情况下，呈现给视力正常的控制对象的刺激会被扭曲，以便与假肢对象的感知体验相匹配。

正常的刺激方法是从安装在眼镜上的相机通过视频处理单元 (VPU) 将视频图像转换为 FDA 批准的电子脉冲序列。

有时会使用相机对受试者进行测试。 更常见的是，研究人员将通过使用外部计算机直接指定脉冲序列（例如 1s 10 Hz 阴极脉冲序列，电流幅度为 100 微安，脉冲宽度为 45 微秒到电极 12）来进行“直接刺激” . 然后将这些直接脉冲序列发送到 VPU。

该 VPU 包含确保这些脉冲序列在 FDA 批准的安全限制范围内的软件。 例如，这些脉冲必须是电荷平衡的（相等的阳极/阴极电荷）并且电荷密度必须低于 35 微库仑/cm2。 有时会使用相机对受试者进行测试。 有时，研究人员会通过直接指定脉冲序列（例如 通过 Second Sight 的 FDA 批准的软件套件（包括其临床验配系统）向电极 12) 发送 1 秒 10 Hz 阴极脉冲序列，电流幅度为 100 微安，脉冲宽度为 45 微安。 软件中有两个阶段可确保这些脉冲序列必须保持在 FDA 的限制范围内：(1) 软件套件中的每个应用程序都基于 FDA 批准的应用程序编程接口 (API)，该接口会执行检查并“优雅地出错”如果指定的脉冲序列超出了可接受的范围，(2) VPU 的固件被编程为仅提供 FDA 批准的脉冲。

脉冲序列的频率和脉冲序列的电流幅度实际上并不是关键的安全问题，因为电子/神经接口对极高的刺激率和高电流水平非常稳健。

然而，高频脉冲序列或高振幅脉冲序列会因诱导大规模神经元放电而使患者产生不适（类似于从黑暗的电影院到阳光下）。 研究人员通常会关注患者在使用其设备时使用的正常范围内的脉冲串频率/振幅。

如果研究人员使用可能会产生更强烈的神经反应（因此有可能引起不适）的参数，他们将始终以逐步函数的形式引入它们（例如 逐渐增加振幅），同时检查感觉是否“令人不适的明亮”，如果患者报告感觉接近不适，他们将立即降低刺激强度。 PI 在这种方法方面有经验，并将对所有人员进行这些协议的培训。

为了响应监视器上的刺激/图像，将要求受试者做出行为判断。 示例包括检测刺激（“您是否在该试验中看到了光”）、通过在触摸屏上绘图来报告大小、通过选择形状相似的触觉对象来报告形状，或识别所呈现的字母。 调查人员将使用标准协议来收集行为数据。 患者将使用口头报告，在触摸屏上绘制形状，或者使用连接到计算机的键盘或小键盘作为报告刺激的方式。 将记录患者反应和反应时间。

这些刺激都不会以任何方式引起情绪反应或厌恶。

在某些情况下，研究人员还将收集测量受试者眼睛位置的数据。 这是一种非侵入性程序，将使用标准眼动追踪设备通过跟踪受试者瞳孔位置的红外摄像机进行。 只会记录眼睛位置或眨眼等测量值，因此这些数据不包含可识别信息。

患者将坐在舒适的椅子上，距离电脑显示器或背投屏幕约 100 厘米，使用视频投影仪将图像投射到屏幕上。 患者的下巴将放在下巴托上，以防止头部移动。 听觉刺激可用于提示试验/反应期的开始。 这些听觉提示将处于舒适的响度级别。

鼓励患者根据需要经常休息（他们可以离开测试室）。 研究人员将使用各种实验技术，包括：(1) 相同-不同 - 例如 向受试者展示两种感知，并询问它们是否相同或不同。 (2) 调整方法 - 例如 受试者被要求调整显示/刺激强度，直到知觉几乎不可见，(3) 2-替代强制选择 - 例如 将向患者提供两种刺激，并询问这两种刺激中哪一种更亮 (4) 识别 - 要求患者识别所呈现的字母。

在某些情况下，除了测量准确性外，研究人员还将通过在多个会话（最多 5 个会话，每个会话在不同的测试日进行）中重复相同的任务来衡量实践的改进。