高效視網(wǎng)膜假體有望讓盲人視力真正恢復(fù)正常

長(zhǎng)期以來(lái)，人們一直在研究怎樣讓盲人復(fù)明?，F(xiàn)有的視網(wǎng)膜假體只能讓盲人看到一些斑點(diǎn)和物體的邊緣輪廓，幫助辨別方向，離恢復(fù)正常視力還很遙遠(yuǎn)。最近，美國(guó)威爾·康乃爾醫(yī)學(xué)院研究人員破譯了視網(wǎng)膜與大腦通訊的神經(jīng)編碼，并把這種編碼與一種視網(wǎng)膜假體系統(tǒng)結(jié)合，使失明小鼠的視力幾乎恢復(fù)到正常水平。

該醫(yī)學(xué)院計(jì)算生物醫(yī)學(xué)院生理與生物物理系教授希拉·內(nèi)森博格說(shuō)，將來(lái)有一天，盲人能選擇戴一種就像《星際迷航》里的那種目鏡，上面裝有攝像機(jī)用于采集圖像，通過(guò)計(jì)算機(jī)芯片將圖像轉(zhuǎn)換成大腦能“聽(tīng)懂”的編碼，再由大腦將編碼翻譯成圖像。

實(shí)驗(yàn)中破譯的是小鼠的視網(wǎng)膜通訊編碼。但研究人員稱(chēng)，他們已經(jīng)破譯了猴子的編碼，這和人類(lèi)的編碼是基本一致的，有望很快設(shè)計(jì)并實(shí)驗(yàn)一種盲人專(zhuān)用的設(shè)備。他們已通過(guò)康乃爾大學(xué)為這種視網(wǎng)膜假體系統(tǒng)申請(qǐng)了專(zhuān)利。美國(guó)《國(guó)家科學(xué)院學(xué)報(bào)》最近報(bào)道了這一突破性進(jìn)展。

視網(wǎng)膜病變：阻斷視覺(jué)信息與大腦溝通

當(dāng)光線(xiàn)進(jìn)入視網(wǎng)膜表面的感光細(xì)胞，正常視覺(jué)就會(huì)產(chǎn)生。視網(wǎng)膜線(xiàn)路會(huì)處理這些來(lái)自感光細(xì)胞的信號(hào)，把它們轉(zhuǎn)化成神經(jīng)脈沖編碼。由視網(wǎng)膜上的輸出細(xì)胞——神經(jīng)節(jié)將這些脈沖送入大腦。大腦能理解這種神經(jīng)脈沖編碼，并將它們轉(zhuǎn)譯為有意義的圖像。

通常，失明是由于視網(wǎng)膜病變殺死了感光細(xì)胞，并破壞了相關(guān)神經(jīng)線(xiàn)路，但一般在這些病變中，視網(wǎng)膜的輸出細(xì)胞未被損害。目前臨床上用的視網(wǎng)膜假體，大體原理都是靠驅(qū)動(dòng)這些尚存活的細(xì)胞。比如在盲人眼內(nèi)植入電極，用電流刺激神經(jīng)節(jié)細(xì)胞。但這只能產(chǎn)生模糊的視覺(jué)圖像。

許多研究小組都在研究如何提高視網(wǎng)膜假體的性能。比如在患者眼中植入更多刺激器，希望更多刺激器能激活受損組織上更多的神經(jīng)節(jié)細(xì)胞，以此提高視覺(jué)圖像的質(zhì)量。還有一種正在實(shí)驗(yàn)的方法，是用光敏蛋白替代刺激器來(lái)刺激細(xì)胞。這些蛋白通過(guò)基因療法引入視網(wǎng)膜，當(dāng)它們進(jìn)入眼睛后，能立刻瞄準(zhǔn)大量神經(jīng)節(jié)細(xì)胞。

除此之外，還有其他關(guān)鍵因素。內(nèi)森博格指出：“刺激細(xì)胞是必要的，但還必須用正確的編碼來(lái)刺激，這種編碼就是視網(wǎng)膜與大腦通訊所用的編碼。” 這也是研究人員所尋找的編碼，并把它和最新的視網(wǎng)膜假體系統(tǒng)結(jié)合在了一起。

發(fā)現(xiàn)大腦“語(yǔ)言”：神經(jīng)脈沖編碼

內(nèi)森博格解釋說(shuō)，任何圖形的光線(xiàn)進(jìn)入視網(wǎng)膜，都會(huì)被轉(zhuǎn)化為一種通用編碼，也就是一套轉(zhuǎn)換公式，將光的形式轉(zhuǎn)化為電脈沖的形式。“人們一直在尋找這種簡(jiǎn)單的刺激編碼，它必須是普適性的，才能用于任何事物——人臉、景觀以及眼睛能看到的任何事物。”

研究這種編碼還有更廣泛用途，但最直接是用在視網(wǎng)膜假體中。內(nèi)森博格和她的學(xué)生潘達(dá)利納斯在一個(gè)“芯片”上嵌入了數(shù)學(xué)公式，稱(chēng)之為“編碼器”，把它和一個(gè)微型投影儀結(jié)合。編碼器能將進(jìn)入眼睛的圖像轉(zhuǎn)化為脈沖電流，然后微型投影儀把電脈沖轉(zhuǎn)化為光脈沖，這些光脈沖驅(qū)動(dòng)神經(jīng)節(jié)中的光敏蛋白，將編碼傳給大腦。

這一整套方法已經(jīng)在小鼠身上實(shí)驗(yàn)。研究人員制造了兩個(gè)視網(wǎng)膜假體系統(tǒng)，一個(gè)帶有編碼而另一個(gè)沒(méi)有。內(nèi)森博格解釋說(shuō)：“系統(tǒng)的工作原理包含兩方面：編碼器，也就是一套公式，能模擬視網(wǎng)膜轉(zhuǎn)化各種刺激的能力，包括自然場(chǎng)景，由此產(chǎn)生正常的電脈沖形式；然后由刺激器，也就是光敏蛋白將這些脈沖傳送給大腦。”

“結(jié)合編碼后顯出了驚人的效果，系統(tǒng)性能達(dá)到了接近正常水平。也就是說(shuō)，系統(tǒng)輸出中包含了足夠的信息，大腦可以用這些信息來(lái)重新構(gòu)建出人臉、動(dòng)物，基本上我們所希望的任何東西的圖像。”內(nèi)森博格說(shuō)。

經(jīng)過(guò)一系列嚴(yán)格實(shí)驗(yàn)，他們發(fā)現(xiàn)小鼠的失明視網(wǎng)膜產(chǎn)生的圖案幾乎能媲美正常視網(wǎng)膜。

芯片+基因療法=恢復(fù)視力

“這是令人興奮的時(shí)刻！我們讓盲鼠的視網(wǎng)膜看到了圖像。”內(nèi)森博格說(shuō)。她們正在盡快地將這一技術(shù)用于人類(lèi)。“實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明要制造出高效視網(wǎng)膜假體，關(guān)鍵在于視網(wǎng)膜通訊編碼和高分辨率的刺激方法，目前這兩方面都已在很大程度上準(zhǔn)備就緒。”

這也是第一個(gè)可能帶來(lái)正?；蚪咏Ｒ暳Φ囊暰W(wǎng)膜假體，其中的編碼極為精確，甚至能讓使用者辨別面部特征，跟蹤移動(dòng)的圖形。

研究人員指出，該研究為全世界2500萬(wàn)因視網(wǎng)膜病變而失明的盲人帶來(lái)了希望。藥物療法只能幫助一小部分人，新的假體設(shè)備提供了恢復(fù)正常視力的編碼。從未來(lái)的治療目標(biāo)來(lái)看，視網(wǎng)膜假體設(shè)備是最好的選擇。

但新假體還需要經(jīng)過(guò)人體臨床實(shí)驗(yàn)，尤其是基因療法部分的安全性實(shí)驗(yàn)，通過(guò)基因療法向視網(wǎng)膜中導(dǎo)入光敏蛋白。但內(nèi)森博格預(yù)測(cè)，實(shí)驗(yàn)將會(huì)是安全的，因?yàn)樵谄渌暰W(wǎng)膜病變案例中，已有類(lèi)似的基因介質(zhì)療法取得了成功。

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