10500個電極，新型視網(wǎng)膜植入物讓盲人“看”得更清晰
圖片來源@視覺中國
文 | 學術頭條
眼睛是心靈的窗戶，也是我們感知世界的重要器官之一。但是，全世界目前有大約 3200 萬盲人，如此巨大的一個數(shù)字，使得重建盲人的視覺系統(tǒng)成為了醫(yī)學領域重點關注的方向之一。
目前，已經該有多種方式可以使視覺系統(tǒng)得以改善，比如通過逆轉視力受損細胞的方式使動物重見光明，以及通過腦皮層植入的方式在腦海中展現(xiàn)特定內容。同樣，隨著電子集成的發(fā)展，仿生眼也進入了臨床試驗階段。
近日，來自瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院（EPFL）的研究人員成功研發(fā)了一種性能更優(yōu)越的視網(wǎng)膜植入物，通過植入患者眼睛內，就可以使患者重見光明。
相關論文以 “Photovoltaic retinal prosthesis restores high-resolution responses to single-pixel stimulation in blind retinas” 為題，發(fā)表在科學期刊《通訊-材料》（Communications Materials）上。
來源：Communications Materials
新型的視網(wǎng)膜植入物由高度柔性的材料制成，并包含光伏像素。研究人員表示，這種視網(wǎng)膜植入物預計將為佩戴者提供 46 度的視野（而其他視網(wǎng)膜植入物只能幫助患者恢復 20 度左右的視野）和更好的分辨率。
對于盲人群體來說，新型視網(wǎng)膜植入物意義重大，因為這款產品不僅可以使他們恢復部分視野，還能顯著改善他們的生活質量。
現(xiàn)有植入產品效果不佳
使盲人重見光明，聽起來是一件讓人不可思議的事情，甚至像是科幻小說里面的情節(jié)。一直以來，這也是科學家們面臨的最大挑戰(zhàn)之一。
在現(xiàn)有盲人人群中，大約有 200 萬～400 萬人是由于視網(wǎng)膜中光敏細胞丟失導致的失明。對于這種類型的失明，最有希望的治療方法是將一種包含刺激視網(wǎng)膜細胞的電極的視網(wǎng)膜植入物放入眼睛中。
現(xiàn)有的視網(wǎng)膜植入物通常由直接放置在視網(wǎng)膜上的電極網(wǎng)格組成。將植入物連接到一副眼鏡、一臺照相機和一臺便攜式微型計算機上。相機捕捉進入植入者視野的圖像，并將這些圖像發(fā)送到計算機，計算機將它們轉換成電信號，然后傳輸?shù)诫姌O。電極根據(jù)在視野中檢測到的光模式刺激視網(wǎng)膜神經節(jié)細胞。
但是，植入者為了過上正常的生活，要求必須恢復至少 40 度的視野，但是目前的植入物產品效果不佳，只能幫助患者恢復 20 度的視野，這些佩戴者仍然被認為是盲人。
?Diego Ghezzi 是 EPFL 工程學院神經工程學（LNE）Medtronic 主席，他和他的團隊自 2015 年以來一直在開發(fā)一種視網(wǎng)膜植入物，這種植入物可以與配備攝像頭的智能眼鏡和微型計算機配合使用。“我們的系統(tǒng)通過使用電極刺激視網(wǎng)膜細胞的方法，可以為盲人提供一種人工視覺。”Ghezzi 說。
同時，佩戴者們必須學會如何 “解釋” 傳入的視覺，以便 “看到” 圖像。圖案越多、越細致，佩戴者就越容易識別它們。
Ghezzi 補充道：“就像人們看著夜空中的星星一樣，我們可以學會識別特定的星座。盲人會看到與我們觀測星空系統(tǒng)相似的東西。”
10500 個電極，讓盲人 “看” 得更清晰
與傳統(tǒng)的植入物一樣，EPFL 的植入物由像素陣列、眼鏡和照相機組成，但不同的是，這種新型視網(wǎng)膜植入物沒有電線。同時，這種植入物還具有較大的表面積，從而起到擴大視野并提高圖像質量的作用，更大的尺寸也意味著更多的視網(wǎng)膜細胞被光伏像素刺激。
LNE 的科學家 Laura Ferlauto 表示：“這種植入物將擴大視野。現(xiàn)有的植入物只能刺激視網(wǎng)膜中心的細胞。” 實驗室的博士生 Na?gChenais 補充道：“這也意味著我們可以增加光伏像素的數(shù)量，從而使圖像更加清晰。”
圖 | 同一張圖像看起來卻有很大的不同，具體取決于可用的像素數(shù) （來源：EPFL News）
在解決像素問題的同時，研究團隊使用了視野和分辨率這兩個參數(shù)來評估他們的系統(tǒng)，他們開發(fā)的視網(wǎng)膜植入物包含 10500 個電極，每個電極都可以產生一個光點。
Ghezzi 說：“我們不確定電極是太多還是不夠。我們必須找到正確的電極數(shù)量，這樣才能使出現(xiàn)的圖像不會變得太難辨認。這些點的距離必須足夠遠，從而幫助患者區(qū)分彼此接近的兩個點，但是必須有足夠多的點，才能提供足夠大的圖像分辨率。”
同時，研究人員還必須確保每個電極都能可靠地產生一個光點。Ghezzi 解釋道：“我們想確保兩個電極不會刺激視網(wǎng)膜的同一個地方。因此，我們進行了電生理測試，其中包括記錄視網(wǎng)膜神經節(jié)細胞的活性。結果證實，每個電極確實激活了視網(wǎng)膜神經節(jié)細胞的不同部分。”
圖 | 視網(wǎng)膜植入物可以為盲人提供人工視覺 （來源：EPFL News）
根據(jù)目前模擬的結果顯示，所選的點數(shù)量以及電極數(shù)量效果良好，可以給患者帶來真正的好處。此外，研究人員還以恒定的分辨率、不同的視場角進行了測試。“我們從 5 度開始，一直測試到 45 度，我們發(fā)現(xiàn)飽和點為 35 度，超過這個點后，植入物可以保持穩(wěn)定。”Ghezzi 說。
這些實驗的結果可以充分表明，相比于現(xiàn)有的視網(wǎng)膜植入物產品，這種新型視網(wǎng)膜植入物的效果更佳。
尚未進行人體試驗
到目前為止，現(xiàn)有的視網(wǎng)膜植入物的尺寸主要受到眼睛手術切口長度的限制。“切口必須盡可能小，這樣才能避免損壞組織。” Chenais 說。
為了克服這個障礙，研究人員選擇使用了一種非常柔韌的材料。這使得植入物能夠在手術過程中折疊，從而可以插入更大的植入物，而不必延長切口長度。
而且這種材料是一種透明的、無毒的聚合物，已經在醫(yī)學領域長期使用。LNE 的另一名博士生 Marta Airaghi Leccardi 表示：“因為聚合物具有柔韌性，所以植入物可以彎曲到眼睛的曲率，并與視網(wǎng)膜神經節(jié)有更大的接觸。” 在第一輪測試中，原型被證明是無毒的，并成功增加了視野和視敏度。
目前唯一的問題是，該系統(tǒng)還沒有在人體上進行測試。Ghezzi 說：“由于獲得醫(yī)療批準需要很長的時間，我們目前還沒有獲得將我們的設備植入人類患者體內的授權。”
因此，他們下一步將是盡快進行體內試驗驗證，以研究其他一些相關因素的影響。“看到人類如何適應這種新的視覺方式也很有趣，這與我們的自然視野是不同的。”Ferlauto 說。
雖然目前恢復視覺仍是一個比較科幻的領域，但是，這項研究或許可以讓我們相信，在未來某一天科技的力量真的可以使人們恢復視覺。
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