有数以百万计的人因为退行性眼病而面临视力丧失。全世界每4000人中就有1人患有遗传性视网膜色素变性。


今天,有技术可以为患有该综合症的人提供部分视力。Argus II是世界上第一个视网膜假体,它复制了眼睛中对视觉至关重要的部分的某些功能,让使用者能够感知运动和形状。

南加州大学发明全球首个视网膜假体 仿生眼有望真正实现眼睛的功能

虽然视网膜修复领域还处于起步阶段,但对于全球数百名用户来说,“仿生眼”丰富了他们每天与世界互动的方式。例如,看到物体的轮廓可以让他们在陌生的环境中移动,从而提高安全性。


这只是个开始。研究人员怀着一个雄心勃勃的目标,正在寻求这项技术的未来改进。


南加州大学凯克医学院和南加州大学维特比工程学院的眼科和电子工程教务长吉安卢卡·拉齐说:“我们现在的目标是开发出能真正模拟视网膜复杂性的系统。”


他和他的南加州大学的同事利用一种先进的计算机模型对视网膜中发生的事情进行了两项最新的研究,从而培养了研究的进展。他们经过实验验证的模型再现了眼睛中数百万神经细胞的形状和位置,以及与之相关的物理和网络特性。


“以前我们甚至看不到的东西,现在我们可以建模了。”Lazzi说,他也是Fred H.Cole的工程学教授和南加州大学技术与医疗系统研究所所长,他认为我们可以模仿神经系统的行为,这样我们才能真正理解为什么神经系统会这样做。

南加州大学发明全球首个视网膜假体 仿生眼有望真正实现眼睛的功能

研究人员将重点放在将视觉信息从眼睛传输到大脑的神经细胞模型上,找出了可能提高清晰度并为未来的视网膜修复设备提供色觉的方法。


眼睛,仿生和其他


为了了解计算机模型是如何改进仿生眼的,了解视觉是如何发生的以及假肢是如何工作的是很有帮助的。


当光线进入健康的眼睛时,晶状体会把它聚焦在眼睛后面的视网膜上。被称为光感受器的细胞将光转化为电脉冲,由视网膜中的其他细胞处理。经过处理后,信号被传递到神经节细胞,神经节细胞通过被称为轴突的长尾将信息从视网膜传递到大脑,这些长尾被捆绑在一起组成视神经。

南加州大学发明全球首个视网膜假体 仿生眼有望真正实现眼睛的功能

光感受器和加工细胞在退行性眼病中死亡。视网膜神经节细胞通常保持功能的时间更长,Argus II直接向这些细胞传递信号。


“在这些不幸的情况下,神经节细胞不再有一套良好的输入,作为工程师,我们的工作是如何才能提供电力输入。”拉齐说。


病人接受带有电极阵列的微型眼植入物。当信号从一副装有摄像头的特殊眼镜传输过来时,这些电极就会被远程激活。摄像头检测到的光的模式决定了哪些视网膜神经节细胞被电极激活,向大脑发送信号,从而感知由60个点组成的黑白图像。


计算机模型的新进展


在某些情况下,植入物中的电极会意外地刺激邻近其靶细胞的轴突。对于仿生眼的使用者来说,这种对轴突的非靶向刺激会使人感觉到一个细长的形状而不是一个圆点。在一项发表在IEEE神经系统和康复工程学报上的研究中,Lazzi和他的同事部署了计算机模型来解决这个问题。


你想激活这个细胞,而不是邻近的轴突,因此,我们试图设计一种更精确地针对细胞的电刺激波形。


研究人员使用了两种视网膜神经节细胞亚型的模型,在单细胞水平以及在巨大的网络中。他们发现了一种短脉冲模式,优先针对细胞体,轴突的非靶向激活较少。


《科学报告》杂志最近的另一项研究将同样的计算机模型系统应用于同样的两种细胞亚型,以研究如何对颜色进行编码。


这项研究建立在早期研究的基础上,研究表明,使用Argus II的人会随着电信号频率的变化而感知颜色的变化,电信号在给定时间内重复的次数。利用这个模型,拉齐和他的同事们开发了一种调整信号频率的策略,以产生蓝色的感觉。


除了给仿生眼睛增加颜色视觉的可能性之外,在基于该系统的未来发展中,色彩编码可以与人工智能相结合,从而使人的周围环境中特别重要的元素,如面部或门口,脱颖而出。


“路很长,但我们走的方向是对的,我们可以赋予这些假肢智慧,知识带来力量。”


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