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        人造眼或使人重見光明

        2020-07-30 11:21:23陳彬
        南方周末 2020-07-30
        關鍵詞:感光人眼納米線

        南方周末特約撰稿 陳彬

        人們常說眼睛是“心靈的窗口”,但實際上,也許“大腦的窗口”這個描述更為貼切。

        視覺中國 ?圖

        科學家制造了一個只包含100根感光納米線的仿生眼,但從理論上來說,系統(tǒng)可以添加更多、更密的納米線。

        ★中美兩國科學家發(fā)明了一種新型的仿生眼,在某些參數(shù)和特點上,它甚至超過了人眼,這一發(fā)明或?qū)⒂兄诒姸嘌鄄』颊吒逦乜匆娢宀世_紛的世界。

        麗莎·庫利克(Lisa Kulik)曾經(jīng)是一名獸醫(yī)助理,在21歲時的一次例行體檢中,醫(yī)生發(fā)現(xiàn)她患有一種名叫視網(wǎng)膜色素變性的遺傳疾病。隨著時間的推移,她的視覺不斷退化,并最終在36歲時徹底失明。

        2013年,美國食品與藥品管理局批準了一種名為“ArgusII”的“人工眼”植入手術。庫利克申請成為第一批接受手術的病人,并在手術后重見光明。此后,這種“人工眼”又被用于幫助老年黃斑變性等疾病的患者獲得一定的視力。

        然而,在接受ArgusII(或者其他幾種在歐美被批準使用的“人工眼”)植入手術后,病人視力的恢復程度仍然十分有限。以ArgusII為例,系統(tǒng)只能產(chǎn)生一個60像素的黑白影像。

        近日,中國香港和美國的科學家在國際著名科學期刊《自然》雜志上發(fā)表了一項新的研究成果,介紹了他們借鑒人眼的結(jié)構(gòu)和原理,發(fā)明的一種新型仿生眼。在某些參數(shù)和特點上,這種仿生眼甚至超過了人眼。盡管這種裝置距離實際應用還很遙遠,但也許未來有一天,它將幫助眾多眼病患者更清晰地看到這個五彩繽紛的世界。

        “大腦的窗口”

        我們常說眼睛是“心靈的窗口”,但實際上,也許“大腦的窗口”這個描述更為貼切:光線進入眼球,經(jīng)晶狀體聚焦,穿過玻璃體后,投射到視網(wǎng)膜上。視網(wǎng)膜由很多層神經(jīng)元(神經(jīng)細胞)組成。其中最靠后的一層神經(jīng)元能夠感受光(因此也被稱為光感受器)并把光信號轉(zhuǎn)化為電信號,以從后向前的方向?qū)㈦娦盘杺鬟f給下一級神經(jīng)元。這些電信號在逐級傳遞的過程中還會經(jīng)過一定的預處理,最終通過視神經(jīng)傳遞到大腦。傳入的視覺信號在大腦中特定的區(qū)域進一步被整合處理,最終使我們產(chǎn)生視覺。

        作為視覺系統(tǒng)最重要的組成部分,視網(wǎng)膜如果出現(xiàn)異常,我們的視覺就會出問題:絕大多數(shù)色盲都是視網(wǎng)膜上一類感受光的神經(jīng)元(視錐細胞)異常導致的;麗莎·庫利克患的視網(wǎng)膜色素變性,是因為另一類感光神經(jīng)元(視桿細胞)無法將光信號轉(zhuǎn)換為電信號導致的;而青光眼導致視覺損害的一個重要原因,則是視網(wǎng)膜上一種叫做神經(jīng)節(jié)細胞的神經(jīng)元的死亡。

        ArgusII系統(tǒng)治療視網(wǎng)膜色素變性的原理,就是一定程度上用這個系統(tǒng)來頂替受損的神經(jīng)元:病人接受手術,在視網(wǎng)膜上植入一組電極。系統(tǒng)外置的數(shù)碼攝像機拍攝的影像首先被計算機進行圖像處理,然后被傳給植入的電極,電極再根據(jù)圖像信息刺激視網(wǎng)膜上的細胞,這些細胞產(chǎn)生相應的電信號并將其傳遞到大腦中,重新打開“大腦的窗口”。由于系統(tǒng)的分辨率很低,只有60像素,所以與其說植入ArgusII系統(tǒng)的病人恢復了視覺,不如用重見光明來形容或許更合適。

        仿生眼領域的飛躍

        由于ArgusII等系統(tǒng)的這些限制,科學家一直以來都在試圖研發(fā)更體現(xiàn)天然眼特征的仿生眼系統(tǒng)。如果能夠研發(fā)出性能更優(yōu)異的系統(tǒng),一方面可以將其應用于非醫(yī)學領域(更符合天然眼的特征,往往意味著3D視覺成像效果更好)。比如,美國的科學家在2013年就曾在《自然》雜志上發(fā)表了一篇論文,介紹了他們從昆蟲的復眼中尋找靈感,制造出的一款仿生眼系統(tǒng)。另一方面,如果能夠研發(fā)出性能更優(yōu)異的系統(tǒng),也可以探索其在醫(yī)學領域可能的應用。

        《自然》雜志上發(fā)表的這項新研究無論是在技術策略上,還是使用的材料上,都頗具創(chuàng)新性,使這個仿生眼系統(tǒng)在很多指標上都遠遠超過了此前的人工眼系統(tǒng),有的指標甚至已經(jīng)超過了人眼。同期《自然》雜志上的一篇專家點評稱贊其實現(xiàn)了相關領域的一次飛躍。

        眼球上的納米線

        這并不是科學家第一次設計研發(fā)出眼球形的人工眼系統(tǒng),但其制造策略卻很新穎。正是這種創(chuàng)新性的策略,使這種新系統(tǒng)各方面的表現(xiàn)有了大幅度的提高。

        在制造此前的仿生眼系統(tǒng)時,科學家通常都是先把感光的元件在一個平面上組裝配置好,然后再轉(zhuǎn)移到眼球形狀的支撐系統(tǒng)上。這可以看作是先制備好系統(tǒng)的“視網(wǎng)膜”,然后把“視網(wǎng)膜”貼到“眼球”上。在轉(zhuǎn)移到球形支撐系統(tǒng)上后,各個感光元件之間的空間關系就立體化了,利用每個感光元件捕獲到的光信號,系統(tǒng)就能分析整合出有立體感的影像。這種策略最大的問題是系統(tǒng)難以達到較高的分辨率:從平面到球形,“視網(wǎng)膜”會發(fā)生形變,如果感光元件之間最初的距離太近,彼此就會發(fā)生擠壓,影響成像。因此,在使用這種策略制備仿生眼時,感光元件之間必須留出一些空隙。這導致在單位面積的“視網(wǎng)膜”上,感光元件數(shù)量有限,從而限制了系統(tǒng)的分辨率。

        在這項新的研究中,研究人員采取了另一種策略:先制造眼球,然后直接在眼球上添加感光元件。他們首先制造了一個非常薄的氧化鋁半球殼,你可以把這個半球殼想象成是將眼球縱向切開之后的后半部分。在制造過程中,科學家還在這個半球殼上留了很多非常細(直徑為120納米,也就是0.00012毫米)的通道。接著,他們使用一種被稱為沉積法的方法在這些通道里“長”出一根根納米線,每根納米線的長度大約為5微米(0.005毫米)。組成這些納米線的是一種叫作鈣鈦礦的化合物,這類物質(zhì)由于結(jié)構(gòu)特殊,因此能夠?qū)⒐庑盘栟D(zhuǎn)換為電信號,很多科學家認為鈣鈦礦很有潛力能在下一代光電器件(比如太陽能電池、LED等)中得到廣泛應用。正因為這種將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的能力,這些納米線陣列扮演著人工“視網(wǎng)膜”(或者說“視網(wǎng)膜”上的感光細胞)的角色。

        在人眼中,視覺信號通過視神經(jīng)傳入大腦。由于視覺信號在視網(wǎng)膜中是從后向前逐級傳遞到最靠前一層的,因此視神經(jīng)最終會以從前向后的方向穿過視網(wǎng)膜進入大腦,穿過的地方正是人眼的盲點:由于這里沒有負責感光的神經(jīng)元,因此投射到這里的光我們無法感受到。這個仿生眼系統(tǒng)的設計策略則使其避免了盲點的存在。由于系統(tǒng)中的鈣鈦礦納米線非常細,為了便于操作,研究人員首先給這個人工“視網(wǎng)膜”制作了一個“插座”,“插座”上有一根根直徑約為0.7毫米的通道(仍然很細,但直徑已經(jīng)超過納米線直徑數(shù)千倍)。接著,他們把人工“視網(wǎng)膜”插到這個“插座”上。在“插座”的另一端,每一根通道與一根軟管相連,軟管中充滿了一種液態(tài)的金屬,軟管的另一側(cè)與信號處理系統(tǒng)相連。這些軟管扮演的正是人的視覺系統(tǒng)中視神經(jīng)的角色,通過其中的液態(tài)金屬,把來自納米線的電信號傳遞給計算機進行處理,進而產(chǎn)生視覺。由于軟管通過背后一側(cè)連接納米線,因此這個系統(tǒng)沒有盲點。

        在制作好眼睛的后半部分后,研究人員將仿生眼的前半部分與后半部分黏合了起來。與后半部分一樣,前半部分也是在模擬人眼的結(jié)構(gòu),包括扮演瞳孔角色的光圈,扮演晶狀體角色的凸透鏡等等。研究人員還向眼球中注入了能夠?qū)щ姷碾娊赓|(zhì)溶液,除了連通系統(tǒng)的電路外,這些電解質(zhì)液體還扮演著人眼中玻璃體的角色,對人工“視網(wǎng)膜”起支撐作用。

        在這項概念驗證性的實驗中,科學家制造了一個只包含100根感光納米線的仿生眼,但從理論上來說,系統(tǒng)可以添加更多、更密的納米線。

        趕超人眼

        無論是原理還是制造工藝,這個仿生眼都并不算復雜,但其性能卻遠遠超過了此前研發(fā)出的仿生眼,有的指標已經(jīng)接近甚至超過了人眼。

        球形眼的一個重大優(yōu)勢是視野寬廣,這可以使動物盡早發(fā)現(xiàn)危險(比如捕食者),有利于動物的生存。以人為例,我們的視野范圍可以達到150-160度。由于充分借鑒了生物眼的球形結(jié)構(gòu)特點,與此前研發(fā)出的平面仿生眼相比,這個球形仿生眼擁有大得多的視野:此前的平面仿生眼的視野只能達到70度,而這個球形的仿生眼則達到了100度。盡管100度和150度比還有不小的差距,但這項研究的科學家稱,通過優(yōu)化人工“視網(wǎng)膜”上感光納米線的排列方式,這個系統(tǒng)的縱向視野可以達到與人眼相當?shù)乃健?/p>

        這個系統(tǒng)在視野上的表現(xiàn)無疑非常優(yōu)異,但真正的飛躍發(fā)生在其對光的反應性上。在對光的敏感度上,檢測發(fā)現(xiàn),這個球形仿生眼對強度范圍很廣的光都能產(chǎn)生反應,光強低至每平方厘米0.3微瓦(1微瓦等于一百萬分之一瓦)時仿生眼仍然有反應。換句話說,每一根納米線只要每秒鐘檢測到86個光子就能產(chǎn)生“視覺信號”了,其靈敏度已經(jīng)達到了人眼的水平。

        幾乎所有動物,要想生存,都需要對外界環(huán)境的變化時刻保持警覺并盡快做出反應。這種事關生死的需求推動了生物體視覺系統(tǒng)的進化,一方面,使感光的神經(jīng)元在被光照射后能迅速產(chǎn)生電信號;另一方面,這些神經(jīng)元在停止光照后能夠迅速恢復到靜息狀態(tài),為再一次被光激活做好準備。也就是說,視網(wǎng)膜上感光神經(jīng)元的光反應時間和恢復時間都要盡可能短。通過用光脈沖照射這個仿生眼,研究人員檢測發(fā)現(xiàn),其感光納米線在光照后19.2毫秒(1毫秒等于0.001秒)就能產(chǎn)生電信號,在停止照射23.9毫秒后就能恢復到靜息狀態(tài)。這樣的反應速度甚至已經(jīng)遠遠超過了人眼:人視網(wǎng)膜上的感光神經(jīng)元的反應時間和恢復時間大約在40-150毫秒。

        這個仿生眼另一個讓人感到驚艷的地方是它可以實現(xiàn)的分辨率。無論是人眼,還是相機,其分辨率都受限于其感光單元的密度。對于人眼來說,這種感光單元就是視網(wǎng)膜上的感光神經(jīng)元;而對于這種新的仿生眼來說,則是能感光的鈣鈦礦納米線。人的視網(wǎng)膜上分布了密度很高的感光神經(jīng)元,每平方厘米上平均有1000萬個這樣的神經(jīng)元。在這個概念驗證性的仿生眼中,雖然科學家只添加了100根納米線,但根據(jù)這款仿生眼的制造策略和納米線的排布方式,他們理論上能夠在仿生眼的視網(wǎng)膜上添加很高密度的納米線,達到每平方厘米4.6億根納米線,感光單元的密度已經(jīng)是人視網(wǎng)膜的近50倍。

        清晰的影像

        一款仿生眼系統(tǒng),設計策略再新穎,光電參數(shù)再超人,如果成像效果不好,那么一切都只是空談,因此科研人員隨后對其成像效果進行了評估。

        科學家首先把光學圖案(各種英文字母)投射到這個100像素的概念驗證性仿生眼上。仿生眼在采集到光信號后將其轉(zhuǎn)換為電信號,然后傳給計算機進行處理。一方面,計算機根據(jù)光電信號的強弱,賦予每一根納米線采集到的信號不同的灰度值;另一方面,這些不同灰度值的影像會被投射到一個平面上。檢測發(fā)現(xiàn),與平面的影像采集系統(tǒng)相比,這個仿生眼系統(tǒng)的性能要優(yōu)越得多。除了視野更寬外,仿生眼產(chǎn)生的影像很穩(wěn)定,對比度更高,影像的邊界也更加清晰。在對系統(tǒng)進一步優(yōu)化后,研究人員用仿生眼采集的信號成功重構(gòu)出了一個大約1毫米見方的英語字母“E”。

        盡管實現(xiàn)了仿生眼領域的飛躍,但這個系統(tǒng)仍有很多地方需要完善:這個仿生眼是概念驗證性的,只有100個像素,其感光區(qū)域的大小只有2毫米見方;仿生眼的制造工藝成本較高,而且有些步驟比較耗時;要想制造更大尺度的仿生眼以及進一步提高其分辨率,液態(tài)金屬管需要更細等等。雖然還有很多地方需要改進,但在《自然》雜志的專家點評文章中,美國威斯康星大學工程系教授江洪睿認為,這種技術有可能在10年內(nèi)在日常生活中得到廣泛應用。也許到那時,麗莎·庫利克這樣的病人將能更加清晰地看到這個世界。

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