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关于重见光明这事 科学家有了植入设备的大胆计划

发布时间:2017-10-07 06:00:17 来源:网易科学人 责任编辑:笙火
这就是当前视网膜植入物存在局限性的部分原因。正如齐齐尔尼斯基指出的,目前的植入装置忽略了视网膜神经节细胞,使它们同时处于激活状态。“视觉成像就像一个管弦乐队在演奏交响乐。想要实现视觉成像,想要音乐奏得美妙,就需要在合适的时间、合适的地点发出合适的信号,”齐齐尔尼斯基说道。“如果让所有乐器不加区别的任意演奏,人们的确会听到声音,但听到的并不是音乐。

出品|网易科学人栏目组

译者|翟中超

斯坦福大学神经学家齐齐尔尼斯基有一个大胆的计划——创造可植入设备帮助盲人恢复视力。想要做到这一点,他必须对电子设备与人脑交互的方式进行革命!

重见曙光

“机械眼”想象图。
“机械眼”想象图。

对于近200万患有退行性眼病的美国人来说,想要重新看见光明几乎是不可能的。尽管我们可以减缓视力丧失的进程,比如说,患者可以服用特殊的维生素来治疗疾病,但是还没有根治的方法。一旦失去,视力就无法恢复。

色素性视网膜炎和老年性黄斑病变是最显著的两种病因,它们会导致视网膜上的细胞相继死亡。结果是,患这些疾病的人会随着年龄的增长而失去视力。考虑到我们日益老龄化的人口,因此这些情况也越来越令人担忧。

幸运的是,未来的解决方案即将来临。这种解决方法与“半机械人”有关。

在过去的几年里,有些病人很幸运接受了设备植入视网膜的手术因此得以重见光明。不幸的是,这些植入设备的效果不尽如人意,只能大概分清是明是暗,无法看清细节。树脂黄的价格太贵,患者需要花费15万美元!但从某种角度来看,有总比没有要好。“我知道我不会完全恢复视力,或者也不能分清人脸,但我至少能看到我的孙子在院子里嬉戏玩耍,”一名接受设备植入的患者这样说道。

但是斯坦福大学医学院神经外科和眼科教授齐齐尔尼斯基对视网膜植入有一个更宏大的愿景。为了实现这一愿景,他计划发明一种能彻底变革电子设备与大脑交互方式的装置!

与视网膜的对话

为了更深入地分解这个问题,我们先熟悉一下视觉成像的过程,首先需要有一双健康的眼睛,这时光线穿过角膜和晶状体,通过瞳孔进入眼睛,然后光线就会落到视网膜上,一系列不同的细胞将光转化为电信号,这些电信号经过视觉神经传送到大脑。

如上所述,色素性视网膜炎和老年性黄斑病变导致视网膜中的许多细胞死亡,因此传输视觉信息的电信号在到达大脑之前就已经停止了。目前的视网膜植入物只是取代了那些死去的细胞并将光线转为电信号。但是这种疾病并不会杀死视网膜上所有的细胞,这就是当前植入物出现问题的地方。

视网膜神经节细胞,这种从视网膜的其他细胞中获取信息的细胞,似乎能在视网膜细胞的死亡中幸存下来。视网膜上有大约20种不同类型的视网膜神经节细胞,不同类型的神经节细胞负责将不同类型的信息传递给大脑。

时间对这些细胞的功能至关重要。一种类型的细胞可以将光线变亮的信息告诉给大脑,而另一类型的细胞可以传递光线变暗的的信息。如果这两种细胞同时被激活,“这就会造成向大脑发送了一个无意义的信号,”齐齐尔尼斯基说道。

这就是当前视网膜植入物存在局限性的部分原因。正如齐齐尔尼斯基指出的,目前的植入装置忽略了视网膜神经节细胞,使它们同时处于激活状态。“视觉成像就像一个管弦乐队在演奏交响乐。想要实现视觉成像,想要音乐奏得美妙,就需要在合适的时间、合适的地点发出合适的信号,”齐齐尔尼斯基说道。“如果让所有乐器不加区别的任意演奏,人们的确会听到声音,但听到的并不是音乐。”

关于重见光明这事 科学家有了植入设备的大胆计划

视网膜上的细胞具有各司其职又协力合作的关系,就像乐队的演奏一样要有秩序。(图/克里斯)

齐齐尔尼斯基目的是令每一种神经节细胞,每一种“乐器”,在合适的时间进行演奏。最终,他的号称“智能假体”的团队将通过外科手术将设备植入患者的眼睛,并可能利用为患者特制的眼镜来对设备进行无线供电。

但是想要实现这一壮举他们还有很多事情需要去完成。“在正确的时间将正确的信号发送到正确的细胞是很困难的,因为不同类型的神经节细胞的混合物不同于独立个体的存在,甚至可能随着时间的推移而改变,”齐齐尔尼斯基说道。

齐齐尔尼斯基的解决方案是创建一种设备,这种设备不仅可以将正确的信号传输到神经节细胞,还要通过查看视网膜来找出哪一种神经节细胞在哪个位置。然后,设备可以在合适的时间激活细胞进而产生一个内聚的图像。“这是与视网膜的对话,这种装置必须在各种细胞构成的复杂回路中来回对话,”他解释道。齐齐尔尼斯基设想这个设备的最终版本将会无时无刻在“写”,但只是偶尔去“读”视网膜。

但是还有其他的技术挑战。该设备必须由合适的材料制成,这样它就能长时间停留在视网膜上而不会破坏视网膜或引起免疫反应。这种装置还要求高密度的细粒电极集中在一个小芯片上,并且不能释放太多的热量。“我们必须要考虑到所有情况,并将这些细节有效地编排到芯片中,如此一来才能使装置一直感知周围的环境、找出正在发生的事情,并在正确的时间正确的地点做正确的事情。它必须足够聪明才能与神经回路对话,”齐齐尔尼斯基说道。“这是一个艰巨的任务。”

前途是光明的

齐齐尔尼斯基团队由多名神经系统科学家、电路设计师和一名眼科医生组成。这名医生仍在研究这个装置的精密设计。目前,研究人员正在利用从动物眼睛里切除的视网膜来对不同技术进行测试。想要完成所有的任务,紧致装置的执行是必走的一步,因此他们需要一件充满科学设备的实验室。他们计划把这一切都装在一个微小的植入芯片上。

齐齐尔尼斯基团队并非这项伟大游戏的唯一参与方。

其他科学家正在努力修复患有色素性视网膜炎和老年性黄斑病变的患者的视力,并且基因治疗和干细胞治疗技术的测试已经产生了引人关注的结果。但是齐齐尔尼斯基并不担心。“如果有人和我们一起为治疗老年性黄斑病变而努力,我会很受感动,”他说道。

“对于连接大脑的组织来说,视网膜是理解最充分和最容易修复的一部分,但视网膜的修复只是一个开始。”

不管治疗失明的其他领域有何发展,齐齐尔尼斯基相信他正在开发的技术将代表神经植入的未来,因为这些技术除了能拯救失明,还有其他许多效用。可以用同样的“语言”来和大脑进行倾听和说话的设备,将使人类能够治疗像帕金森症和阿尔茨海默症这样的神经退行性疾病,此外还能控制假肢。

同样的技术可能会被用来“升级”我们自己身体的功能,比如增强我们的记忆,将我们的视野推向新的极限。“这并非天方夜谭,如果你认为这些情况不会发生,那是因为你了解的还不够,”齐齐尔尼斯基说道。根据他的说法,视网膜是连接大脑的组织中理解最充分和最容易修复的一部分,但视网膜的修复只是一个开始。


齐齐尔尼斯基希望在接下来的几年里制造出一个实验室原型,并在5年内开始对活体动物进行测试。在预测这种装置何时能在人类身上进行测试、何时可以广泛使用,齐齐尔尼斯基也不能确定,但他希望设备进入人体研究能在未来10年内实现。

尽管这项技术还处于早期阶段,尽管还不能将其分拆为一家公司或并寻求投资,但齐齐尔尼斯基相信人们不久后会感兴趣的。“我正在讨论的这件事是一场革命,”他说道。作为同时代者,我们很幸运来到这里见证这项壮举的开始!

郭浩 本文来源:网易科学人 责任编辑:郭浩_NT5629

责任编辑: 笙火

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