科学家距离制造出性能媲美真实人眼的视觉假体仍有很长的路要走。不过，工程师们正在稳步推进这一曾经只属于科幻小说的领域。
一种颇具前景的新设备，是基于光伏植入物的仿生视觉系统，目前正等待在欧洲开展人体临床试验的批准。另一种系统基于视网膜体外研究，可能在四五年内具备动物试验条件。这两项发明目标相同：帮助视网膜进行性疾病患者恢复一定程度的视力，尤其是视网膜色素变性和黄斑变性患者。
据美国国立卫生研究院称，视网膜色素变性是遗传性失明的首要原因，在美国约每4,000人中就有1人受其影响。这种疾病通常始于儿童时期的夜视力丧失，随后累及周边视力，再影响中心视力，逐渐使年轻患者丧失阅读、驾驶、辨认面孔和完成日常事务的能力。
相比之下，黄斑变性是美国60岁及以上人群视力丧失的主要原因之一。美国国立卫生研究院估计，到2020年，美国可能有多达300万人患有不同阶段的这种疾病。它会逐渐破坏视网膜中心部位（即黄斑）密集分布的感光细胞，也就是光感受器。
“这些人中有许多将失去中心视力，”美国黄斑变性基金会主席奇普·戈林说，“因此，我们必须有恢复视力的选择，这至关重要，包括生物和机械方法——用干细胞疗法替代光感受器、用基因疗法修复功能失常的视网膜组织，以及能够帮助更广泛视力丧失人群的人工视网膜。”
受损的视杆细胞和视锥细胞
正常的视网膜组织由光感受器构成：眼底有形似视杆和视锥的感光细胞，其上覆盖着彼此连接的神经元层。信号从视杆细胞和视锥细胞出发，经双极细胞传至神经节细胞，再通过视神经传往包括视觉皮层在内的多个脑区。科学家仍不完全清楚视网膜疾病患者的视杆细胞和视锥细胞为何会退化，也尚未找到预防、减缓或逆转这一过程的方法。
也有一线希望：视网膜色素变性和黄斑变性通常会保留一部分双极细胞和神经节细胞。这意味着，可以用微电极对这些患者视网膜中的神经元进行人工刺激，完全绕过受损的视杆细胞和视锥细胞。
斯坦福大学眼科学教授丹尼尔·帕兰克多年来开发并申请了多项用于诊断和治疗眼病的设备专利。其中包括用于增强干眼症患者泪液分泌的神经刺激器、用于白内障手术的飞秒激光器，以及一种图案化激光扫描光凝仪。外科医生用它治疗多种视网膜疾病，包括糖尿病视网膜病变，同时避免过度损伤治疗点周围的脆弱组织。
PRIMA护目镜
帕兰克的新型假体设备名为PRIMA，配有一台微型摄像机，安装在外观未来感十足的增强现实护目镜上，并连接到一台约手机大小的视频处理器。与一种已成功用于欧洲少数患者的德国系统不同，它无需植入笨重的电子设备盒和天线，也不需要有线缆从眼睛中引出。
相反，它依靠多组光电二极管阵列，每组直径约为一毫米，包含数百个像素，工作原理类似屋顶上的太阳能电池板。外科医生可以像铺设瓷砖一样放置这些微型芯片，替代中央视网膜中缺失的感光视杆细胞和视锥细胞。
比如，当PRIMA摄像机拍下一朵花，视频处理器就会将图像传输到安装在护目镜内的微显示屏。强烈的近红外光脉冲照亮显示屏，并从护目镜投射进眼睛，犹如电视遥控器发出的不可见光线。
植入的光电二极管接收这些信号，并将其转换为微小的电流脉冲，直接刺激其正上方的双极细胞。信号继而传至神经节细胞，再传到大脑；大脑将其感知为光的图案：一朵花！
为测试这一系统，研究人员将PRIMA芯片植入实验室啮齿动物体内，并让它们接触闪光或电脑屏幕上的闪烁图案。科学家通过记录动物视觉皮层产生的电活动，测量其视敏度。
“结果发现，假体视敏度恰好与植入物70微米的分辨率相匹配，这是老鼠自然视敏度的一半，”帕兰克说。“由于刺激阈值远低于安全限值，我们决定开发更小的像素，以改善视力。法国合作者近期在灵长类动物中开展的行为测试，也证实了我们在啮齿动物身上的研究结果。”
“当然，在为患者植入之前，我们无法确切知道结果。”
不过，他们希望在今年晚些时候于欧洲启动人体临床试验时，使用70微米像素达到相当于20/250的视力。这仍低于法定失明标准20/200，但可能足以让使用者阅读特大字体，或看清刚出生的孙辈的脸。
帕兰克说，在下一代设备中，“我们应该能够在15度视野范围内放入超过12,000个像素”，使系统达到20/150甚至更好的视力。
PRIMA目前还不能再现色觉，只能呈现不同深浅的灰色。“我们正在研究视网膜刺激中的单细胞选择性，这或许能实现颜色感知，”他说。随着经验增加，外科医生也可能将视野扩大到约20度。
视网膜就像管弦乐队
科学家最终的梦想，是制造出足够小而强大的视觉假体，能够刺激视网膜内的特定神经元，而不是零散地刺激其中一些区域。这正是斯坦福大学神经外科和眼科学教授E.J.奇奇林尼斯基的目标。
“把视网膜想象成一支管弦乐队，”奇奇林尼斯基说。“演奏音乐时，小提琴要演奏一份乐谱，双簧管要演奏另一份，如此等等。”同样，视网膜中约100万个神经节细胞由大约20种不同类型组成。每种细胞在向大脑传递形状、颜色、深度、运动及其他视觉特征的感知信息时，所起的作用都略有不同。
自20世纪90年代中期以来，奇奇林尼斯基一直与多位物理学家和工程师合作，开发小巧而强大的电极阵列，以便在细胞层面测量神经活动。
为了更好地理解视网膜中的电活动模式，奇奇林尼斯基及其同事使用因其他医学研究而被实施安乐死的灵长类动物眼组织。他们将小块视网膜组织放在微芯片阵列上，再让样本接受各种光模式照射，由此记录并研究五种不同类型视网膜神经节细胞各自独特的电反应。这五种细胞共同承载了传向大脑的75%的视觉信号。
他们还开发了复现这些电活动模式的技术，以高精度人工刺激神经节细胞，产生与视杆细胞和视锥细胞引发的自然信号相当的反应。
通过学习如何复现这些复杂信号，研究人员离最终目标又近了一步：制造出高视敏度视觉假体，像管弦乐队指挥一样发出信号，让视网膜中无数神经元以恰当的方式、在恰当的时刻放电。“我不是说我们已经把一切都搞定了，”他说，“但我们现在确实已经证明了这一概念，知道未来如何制造更好的设备。”
接下来的挑战，是将足够的计算能力集成到可植入电极阵列上，使其能在眼内安全工作，不让周围组织过热，并能自主运行，“不用任何研究生或博士后在旁操作，”他笑着说。如果一切顺利，这种植入物的原型可能在四到五年内准备好用于实验动物测试。
奇奇林尼斯基和帕兰克觉得，他们正在拓展科学的边界，而且他们的工作将来或许能帮助的不只是盲人。电神经接口已经用于辅助控制多种重要器官，包括心脏、膀胱和四肢。不久之后，这类接口甚至可能连接到大脑的不同部位，例如帮助记忆丧失者，甚至——尽管听起来难以置信——实现心灵感应式交流。
“我们生活在这样一个时代，开始克服生物本性带给我们的局限，”帕兰克说。“进化就是这样发生的。”
来源：特蕾莎·约翰斯顿为斯坦福大学撰稿
