斯坦福大學神經學家計劃製造無線「機械眼球」,幫助視障人士

仿生眼睛移植(圖:UNSW Sydney,仿生眼移植)

E. J. Chichilnisky 是美國斯坦福大學的一名神經學家,他提出了一個宏大的計劃:製造一種可移植設備,植入人眼,幫助失明人士重獲視覺。如果這一目標實現,他將改變電子設備與人腦的交互方式。

 

現有的可移植視網膜

最近幾年,已有一些患者接受了視力輔助設備移植,獲得部分視力。但這些設備的成像質量不高,只能讓人看到一塊一塊的光斑或暗斑,無法呈現物體的細節。而且其造價非常昂貴,每位患者需花費 15 萬美元。但即便如此,有些患者仍願意接受移植。正如一位患者所說,「我知道我無法獲得雙眼 20/20 的視力,也沒法辨別面孔,但至少我能知道我的孫子剛從院子里跑過,或走進我的房間。」

Chichilnisky 的計劃是製造更精密的視網膜移植設備,通過改變電子設備與人腦的交互方式,讓患者看到更清晰的圖像。

從光線到視覺

在健康的人眼中,光線經角膜、晶狀體,進入瞳孔,到達視網膜。視網膜是分層組織,包含多種細胞。在視網膜這裡,光線轉換為電信號,通過視神經傳入大腦,形成視覺。

而在一些視網膜疾病中,如視網膜色素變性(retinitis pigmentosa)和老年性黃斑變性(age-related macular degeneration,AMD),視網膜中的細胞逐漸死亡,無法傳輸視覺信號,視覺通路就此中斷,因此造成視覺缺陷。

現有的視網膜移植設備代替了那些死掉的細胞,將光信號轉換成電信號,使視覺通路變得完整。但他們的問題在於,他們只能同時激活視網膜中的神經節細胞(retinal ganglion cells),無法做到協調處理。

為了理解這個問題,我們需要了解正常情況下視網膜神經節細胞的作用。這種細胞遍布視網膜,大約有20種類型,每種類型都可以向大腦傳輸不同的視覺信息。例如,一種視網膜神經節細胞可以告訴大腦,當前時刻,物體的這部分區域更亮一些;另一種細胞可以告訴大腦,這部分區域更暗一些。如果這兩種細胞同時激活,那後果就是互相抵消,大腦接收到的是無意義的信號。

在視網膜色素變性和老年性黃斑變性中,視網膜神經節細胞不會死亡。但現有的移植設備將其同時激活,無法做出精準定位和區分,這部分解釋了他們的局限性。

與視網膜對話

Chichilnisky 形容道,視覺的形成過程就一支管弦樂隊在演奏交響曲,不同的設備只有在正確的時間、正確的地點奏出正確的音符,才會有美妙的音樂。如果所有樂器毫無章法同時奏響,也能聽到聲音,但這不是音樂。

在視覺通路中,不同種類的神經節細胞就是不同的樂器。他們需要協調作用,在正確的時間激活,發出信號,才能形成清晰的視覺——這正是 Chichilnisky 的計劃。他們會通過手術將設備植入眼球,設備採用無線供電——可能是患者佩戴的一種特殊的眼鏡。移植設備將在適當的時間激活適當的視網膜神經節細胞,讓患者得到更高質量的視覺。

前景光明

該計劃目前處於起步階段,還有很多工作要做。Chichilnisky 團隊包括神經學家、電路設計師和眼科醫生。目前他們正在動物的視網膜上測試不同的技術,希望找到符合他們要求的設計。現在他們的實驗裝置擺滿了一整間屋子。等到最後產品成型,他們需要將這些設備都整合到一個小小的可移植晶元上。

全世界老齡化引發的問題日益凸顯,很多老年人都伴隨不同程度的視力衰退。如果 Chichilnisky 的計劃成功,無疑將大大提高視力缺陷人群的生活質量。

 

參考資料:

  1. Futurism, A stanford neuroscientist is working to create wireless cyborg eyes for the blind, A. Ossola, September 15, 2017.
舒超
明日科學編輯,科大生命科學學院研究生,目前努力畢業中。做實驗之餘,喜歡讀書寫字,學習語言。鐘情中國古典文學。希望有朝一日走遍天下,增廣見聞。