簡介
賽比佩戴著整套“復明”裝置2011年2月15日，據美聯社報導，美國一家公司通過在眼內植入“人造視網膜”，成功地幫助盲人恢復部分視力。一年前，這家名為“第二視覺”(SecondSight)的公司把叫做阿格斯II型(ArgusII)的人造裝置植入68歲退休工程師艾瑞克.賽比(EricSelby)的右眼。賽比已經失明了20年，依靠導盲犬外出。但是手術後，他可以“看到”人行道等普通的物體。
技術研究史
人們所獲取的信息中，有大約80%來自於視覺。人們至今也無法製造出性能堪比人眼的照相機，而感光細胞和視神經之間的精確對應關係也還是個謎。再考慮到技術的限制—人工視網膜晶片的大小一般只有數平方毫米，厚度只有不到100微米—想獲得如人眼般精確的視覺，是相當困難的事情。
雖然早在1924年，人們就已經發現使用電刺激作用於視覺皮層時會產生幻視覺，但是直到1967年，植入視覺皮層的人工視覺裝置才被開發出來。但是，這種方式產生的視覺質量很差，對這一領域的研究也開始逐漸由視覺皮層植入轉向視網膜植入。在過去的30年裡，許多研究機構和廠商都投入到這一領域當中，研究思路也分成了兩類：視網膜下植入和視網膜外植入技術。
視網膜下植入技術是將晶片植入到視網膜神經感覺上皮和色素上皮之間的區域，代替光感細胞感受光照，直接利用視網膜本身的編碼和解碼機制來將電信號轉化成視覺。它依然利用患者自身的“鏡頭”，就像是為數位相機換一塊感光器件一樣。這種技術需要外接供能單元，手術難度高，使用範圍較小，但是不用外掛一部攝像機。視網膜下植入技術的主要研究者有芝加哥大學AlanChow的研究小組和德國圖賓根大學的EberhartZrenner小組等。圖賓根大學已經開發出了這種設備的原型，它有1500個電極，用耳後的無線電源供電，而且該小組已經進行了十例植入試驗。
而視網膜外植入技術則是將電極陣列緊貼於視網膜外表面，用眼外傳來的信號直接刺激神經細胞，相當於完全替換了鏡頭和感光器件。這一領域的主要研究者有德國波昂大學、美國霍普金斯大學、麻省理工學院和哈佛大學，以及南加州大學的多漢尼(Doheny)眼科研究所。第二視覺公司的人造視網膜技術，就是在多漢尼研究所的基礎上開發的。
1998年，RobertGreenberg博士和SamWilliams一起創建了第二視覺公司。Sam自己就是一位色素性視網膜炎的患者，對這一領域的公共研究喪失了信心，所以決定自己開發能投入商業化的人工視網膜設備。Sam於2009年去世，沒有來得及等到自己目標實現的那天。但是他的遺產將會造福許多人。
Argus專利
Argus是希臘神話中百眼巨人的名字。以它為名的人造視網膜系統由一個小攝像頭、一部微型計算機和一些無線通訊工具組成。2002年，在南加州大學多漢尼眼科研究所一項發明的激勵下，ArgusI被開發出來，它有16個電極。在2002到2004年間，共進行了6例試驗性的植入手術。這些患者擁有了簡單的光感，能判斷物體的移動，能從背景里分辨出物體。
對於這類技術來說，擁有越多的電極，就能看到更多的點。現在的ArgusII有了60個電極。從2006年至今，它已經讓40名患者重新獲得了基本的視力，其中一些人已經能夠區分物體、形狀，甚至閱讀大字印刷的印刷品。雖然使用者需要經過一定程度的訓練才會理解視野里的光點意味著什麼，但是總比在漆黑的世界裡摸索要好。
ArgusII不是治療失明的方法，而只是治療一些特定視網膜疾病的方法。據世界衛生署組織的統計，全球視障人口超過4500萬，平均每5秒就有1人病情惡化，估計到2020年，視障人口將增加到7600萬人；而隨著人口老齡化趨勢的發展，老年性黃斑變性患者的數量也會增加。ArgusII能夠做到的，只是幫助這些患者獲得更好的生活質量。
這種人工視網膜將會在倫敦、曼徹斯特、巴黎和日內瓦的醫院開始首批試用，而一旦獲得美國食品與藥物管理局的許可，也會在美國出售。第二視覺公司希望在第一年裡能夠賣出100個植入設備，每個標價10萬美金。“雖然這個價格看起來有點高，”Greenberg博士說，“但是，這其實與第一個人工耳蝸的價格差不多。”他希望ArgusII能夠被納入政府的補助計畫，這樣價格將會變得更容易接受。
目前，這家公司已經在美國申請了76項專利。現在他們已經準備好了ArgusIII的動物實驗，新一代的人工視網膜將會擁有數百個電極。
雖然現在的Argus只能讓人們看到一些光點，但是它的前途將不可限量。剛推向市場的技術並不會是最終版，這些光點已經顯現出了希望的光芒。
裝置原理
來自英國考文垂的賽比說：“這只是一些光束，你需要用腦子分辨他們是什麼。但是能看到東西已經讓我非常驚奇了”。這種植入裝置的原理是通過眼鏡上的微型攝像機、發射器和微型無線計算機來工作。首先通過患者眼鏡上的攝像機捕捉外部景象，然後圖像經無線發射器傳送到患者眼球表面的人造視網膜上，並轉換為電脈衝信號。接著，人造視網膜上的電極會刺激視網膜的視覺神經，繼續將信號沿視神經傳送到大腦。這些脈衝信號可以“欺騙”大腦，讓大腦以為患者的眼睛仍然在正常工作。最終，患者可以和常人一樣“看到”外部世界，並區分光明和黑暗，從而恢復視力。
適用範圍
荷蘭立法者將於近期就公司在歐盟市場推廣這種裝置的申請做出裁定。如獲批准，這將是第一個上市銷售的人造視網膜。不過醫生表示，此種技術只適用於因視網膜色素變性(retinitispigmentosa,RP)致盲的病人，因為他們以前能夠看見東西，並殘存有健康的視網膜細胞和視神經。
生物研究
人工耳蝸證明電子設備能夠支持或替代那些有缺陷的組織的功能，視覺假體遠比人工耳蝸等要複雜、困難得多.視網膜將來自1.3億感光器的視覺信號壓縮編碼成電信號（略）萬神經節細胞傳入視神經纖維,然後經過外膝狀體傳入大腦中樞視神經，產生視覺。只要視覺傳導通路:眼睛、視網膜、視神經、視皮層,或者是有關處理視覺信息的大腦皮質區域,以上任何一（略）能導致失明。視網膜色素變性(RP)和老年性黃斑變性(AMD)則是兩種主要的致盲疾病;藥物療法或是外科手術很難將視力恢復到“能用”的水平。通過植入微電子器件來恢復病人的視力是一種潛在的解決辦法。ME（略）年來隨著矽微加工技術發展起來的一種微加工技術，通過光刻等技術，可以在微米甚至納米尺度上製備元器件，近幾年來。在MEMS領域中出現了（略）和Bio-MEMS技術.柔性MEMS技術在柔性基底上加工出微米尺度的器件。這樣製備的器件具有能經受衝擊、能夠摺疊彎曲等優點；而Bio-MEMS技術利用MEMS技術製造體外分析診斷器件和體內植入器件。
柔性襯底
基於柔性襯底的人造視網膜生物微電極陣列研究。設計了一種用於刺激視網膜的生物微電極陣列,採用非矽MEMS技術，在聚醯亞胺柔性襯底上製備出了具有一定生物相容性的，電極數為20的生物刺激電極陣列，並成功實現了器件從基底的完整釋放.實驗中採用了二次曝光法，用金修飾了電極柱側壁，從而提高了電極的生物相容性；採用PDMS作為柔性襯底與玻璃片的粘附層,使得器件的釋放過程,簡單且無毒無害，對器件也無損害.製造出的器件尺寸小，質量輕，可靠性高，機械柔性好.對微電極陣列進行了電學性能測試，在10～5000Hz頻率範圍，其阻抗為104～106歐姆,符合電刺激要求。
模擬電路
我們在設計人造視網膜時也使得水平細胞網路的電阻對整個電路執行計算，而不僅僅是對鄰近的細胞執行計算。人造視網膜以及類似的依據神經結構原理的晶片未來的發展將沿兩條不同的道路進行。其一是改進機器槐覺。包括一組比較簡單的模擬電路的單塊晶片能夠完成同多塊晶片系統——這種系統包括一個圖象感測器和許多功能強大的徽處理機及大容量存儲晶片——一樣的功能。現在正在進行的一些研究工作是關於雙目電路的，也就是把兩個人造視網膜並排放在一起，使它能確定出場景中的物體的距離。真實視覺(或者是現今的機器視覺向著更接近真實視覺的方向進一步發展)大概要求槐網膜晶片包含有比現在的人造視網膜多一百倍的象索，同時還要求它包含有能夠模仿無長突細胞和神經節細胞的對運動敏感的功能和邊緣增強功能的其它電路。這些系統最終還將包括旨在識別視網膜所產生的模式的其它神經電路。第二條道路將使研究人員向著一個更遠大的目標——認識大腦——前進。多年來生物學家們一直心照不宣地假定，只要他們了解了神經膜中每個分子的工作，他們就能了解大腦的工作情況。但是數字計算方式和模擬計算方式都清楚地表明這個假定是錯誤的。計算機是用一些其工作狀況已完全了解清楚的元件通過完全已知的安排方式建造起來的，但是人們往往無法證明一個簡單的電腦程式將會計算出預期的結果，甚至無法證明其計算是否會終結。無論對大腦的結梅已了解得多么徹底，單靠這種了解本身並不能得出對神經系統的組織原理和表示方式的全面認識。計算的相互作用實在是太複雜了。但是，如果研究人員能夠根據一個深思熟慮的、明確規定的生物比喻來建立矽晶片系統．那么他們就可能檢驗並改進研究人員對神經系統的認識。這項工作如果取得成功，就能建立起一座溝通神經生物學和信息科學的橋樑，同時還將大大加深我們對計算這種物理過程的了解。我們對利用模擬集體系統的威力來解決那些常規數字方法所難於對付的問題的信息處理過程將獲得全新的認識。
移植手術
人造視網膜下植入電極“仿生眼”幫盲人復明。據英國媒體2008年4月22日報導,英國倫敦穆爾菲爾德眼科醫院日前施行了一項先鋒性的“仿生眼”移植手術——在兩個盲人患者的眼球表面分別植入安裝有60個電極的人造視網膜,從而讓兩個失明患者恢復視力,並能辨認簡單物體。這是英國首次施行“仿生眼”移植手術,在未來3年之內,“仿生眼”技術有望得到大範圍推廣。
患者雙目失明多年
這一先鋒性手術是4月中旬在穆爾菲爾德眼科醫院進行的。兩個失明患者均50多歲,並都是因患有遺傳性色素性視網膜炎而失明多年。在手術中,眼科醫生林登率領的手術團隊為兩個患者植入了一種名為“阿格斯II型”的“仿生眼”。“阿格斯II型仿生眼”價格高達1.5萬英鎊,是由美國“第二視力”公司生產、加州洛杉磯市多赫尼視力學會的科學家發明的。它由一個微型攝像機和一片植入患者眼球表面的人造視網膜組成。人造視網膜下植入60個電極。微型攝像機安裝在失明患者戴的眼鏡上方。
圖像類似“印象畫”
“阿格斯II型仿生眼”的工作原理是:首先通過患者眼鏡上的攝像機捕捉外部景象,然後圖像經無線發射器傳送到患者眼球表面的人造視網膜上,並轉換為電脈衝信號。接著,人造視網膜上的電極會刺激視網膜的視覺神經,繼續將信號沿視神經傳送到大腦。這些脈衝信號可以“欺騙”大腦,讓大腦以為患者的眼睛仍然在正常地工作。最終,患者可以和常人一樣“看到”外部世界,並區分光明和黑暗,從而恢復視力。不過,“仿生眼”提供的脈衝信號,並不能達到健康眼睛捕獲的圖像質量,只能讓大腦產生畫質粗糙的黑白圖像,這種圖像有點類似“印象畫”,缺乏鮮明的自然色彩。花數月學習“觀看”21日,林登醫生透露兩個患者正處在康復階段,目前他們已經能辨認簡單物體,並可以獨自四處走動。林登說:“穆爾菲爾德眼科醫院是歐洲僅有的3家獲選參與‘仿生眼’手術試驗的醫院,我們為此感到非常自豪。患者們都是依靠拐杖、導盲犬或者他人幫助才能認路。而他們的‘仿生眼’植入手術都很成功。”林登稱,兩個患者大概在幾個月後才能漸漸學會如何使用“仿生眼”。因為對於長時間失明的盲人,他的大腦需要許多時間才能再次學會“觀看”。專家預測,未來3年之內,“仿生眼”技術有望在英國大範圍推廣,令數百萬盲人通過這種方法重見光明。
未來可看清人臉
事實上,美國“第二視力”公司在2002年已研製出了第一個“仿生眼”樣品,而美國加州長灘市現年64歲的琳達·穆爾福特老太太是全世界最早接受“仿生眼”移植手術的盲人患者。穆爾福特在雙目徹底失明十多年後,最終在2004年接受了第一例“仿生眼”移植手術。不過,穆爾福特當時所植入的“仿生眼”非常原始,醫生只在她的眼球中植入了16個電極。這次手術植入了60個電極。而在加州,科學家甚至已開發出了植入多達1000個電極的“仿生眼”,未來一旦盲人裝上這種“仿生眼”,將可以分辨不同人的臉。
工作原理
通過患者眼鏡上的攝像機捕捉外部景象,然後由無線發射器將圖像傳送到眼球表面的人造視網膜上,並轉換為電脈衝信號。電極隨後刺激視覺神經傳送信號到大腦。
幹細胞視網膜
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| 日本理化學研究所公布的“人工視網膜”照片：左圖浮在試管中的是處於生長初期的視網膜；而右圖中的兩個發光的“角”正是將要發育成為眼睛胚體的幹細胞。 |
位於神戶的日本理化學研究所的生物發育學研究中心2011年4月公布了部分研究成果，該中心的科學家正在用幹細胞培養“人工視網膜”，並已經獲得了突破性進展，而這有可能將“人工眼睛移植”變成現實，從而為數百萬名盲人患者帶來光明。這一研究成果因此被科學界稱之為是一項“驚人的成就”。
研究人員使用“空白”的胚胎幹細胞（可以被培養成人體內任何一種細胞）作為培養“人造視網膜”的起始材料，他們首先從患者手臂的皮膚上採集若干個細胞，然後在幹細胞周圍添加蛋白質和維生素的混合物，來誘導幹細胞成長為患者的視網膜所需的細胞。等幹細胞發育成熟之後，再提取出來移植到患者的視網膜中，由於通過這種方式培養出來的幹細胞可以完全融入到患者的視網膜之中，所以它能夠通過自身的生長來修復視網膜上的破損情況，從而改善或恢復患者的視力。
雖然目前所培養的視網膜還沒有達到成熟狀態，但是目前該項研究已經步入正軌，同時該項實驗已經在小白鼠身上獲得了比較明顯的效果，這也意味著“人造視網膜”已經指日可待了。
意義
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| 人造視網膜”的工作原理 |
牛津大學的眼科外科醫生羅伯特·麥克拉倫說：“如果這種幹細胞可以在眼疾患者身上得以生長，並成為患者身體的一部分，那將是非常振奮人心的！”而慈善組織“為光明而戰”的多洛雷斯·康羅伊博士認為“人造視網膜”對於那些飽受黃斑眼病困擾的患者來說具有非常重要的現實意義。
