人造眼或使人重見光明

南方周末特約撰稿　陳彬

人們常說眼睛是“心靈的窗口”，但實(shí)際上，也許“大腦的窗口”這個描述更為貼切。

視覺中國　?圖

科學(xué)家制造了一個只包含100根感光納米線的仿生眼，但從理論上來說，系統(tǒng)可以添加更多、更密的納米線。

★中美兩國科學(xué)家發(fā)明了一種新型的仿生眼，在某些參數(shù)和特點(diǎn)上，它甚至超過了人眼，這一發(fā)明或?qū)⒂兄诒姸嘌鄄』颊吒逦乜匆娢宀世_紛的世界。

麗莎·庫利克（Lisa Kulik）曾經(jīng)是一名獸醫(yī)助理，在21歲時的一次例行體檢中，醫(yī)生發(fā)現(xiàn)她患有一種名叫視網(wǎng)膜色素變性的遺傳疾病。隨著時間的推移，她的視覺不斷退化，并最終在36歲時徹底失明。

2013年，美國食品與藥品管理局批準(zhǔn)了一種名為“ArgusII”的“人工眼”植入手術(shù)。庫利克申請成為第一批接受手術(shù)的病人，并在手術(shù)后重見光明。此后，這種“人工眼”又被用于幫助老年黃斑變性等疾病的患者獲得一定的視力。

然而，在接受ArgusII（或者其他幾種在歐美被批準(zhǔn)使用的“人工眼”）植入手術(shù)后，病人視力的恢復(fù)程度仍然十分有限。以ArgusII為例，系統(tǒng)只能產(chǎn)生一個60像素的黑白影像。

近日，中國香港和美國的科學(xué)家在國際著名科學(xué)期刊《自然》雜志上發(fā)表了一項新的研究成果，介紹了他們借鑒人眼的結(jié)構(gòu)和原理，發(fā)明的一種新型仿生眼。在某些參數(shù)和特點(diǎn)上，這種仿生眼甚至超過了人眼。盡管這種裝置距離實(shí)際應(yīng)用還很遙遠(yuǎn)，但也許未來有一天，它將幫助眾多眼病患者更清晰地看到這個五彩繽紛的世界。

“大腦的窗口”

我們常說眼睛是“心靈的窗口”，但實(shí)際上，也許“大腦的窗口”這個描述更為貼切：光線進(jìn)入眼球，經(jīng)晶狀體聚焦，穿過玻璃體后，投射到視網(wǎng)膜上。視網(wǎng)膜由很多層神經(jīng)元（神經(jīng)細(xì)胞）組成。其中最靠后的一層神經(jīng)元能夠感受光（因此也被稱為光感受器）并把光信號轉(zhuǎn)化為電信號，以從后向前的方向?qū)㈦娦盘杺鬟f給下一級神經(jīng)元。這些電信號在逐級傳遞的過程中還會經(jīng)過一定的預(yù)處理，最終通過視神經(jīng)傳遞到大腦。傳入的視覺信號在大腦中特定的區(qū)域進(jìn)一步被整合處理，最終使我們產(chǎn)生視覺。

作為視覺系統(tǒng)最重要的組成部分，視網(wǎng)膜如果出現(xiàn)異常，我們的視覺就會出問題：絕大多數(shù)色盲都是視網(wǎng)膜上一類感受光的神經(jīng)元（視錐細(xì)胞）異常導(dǎo)致的；麗莎·庫利克患的視網(wǎng)膜色素變性，是因為另一類感光神經(jīng)元（視桿細(xì)胞）無法將光信號轉(zhuǎn)換為電信號導(dǎo)致的；而青光眼導(dǎo)致視覺損害的一個重要原因，則是視網(wǎng)膜上一種叫做神經(jīng)節(jié)細(xì)胞的神經(jīng)元的死亡。

ArgusII系統(tǒng)治療視網(wǎng)膜色素變性的原理，就是一定程度上用這個系統(tǒng)來頂替受損的神經(jīng)元：病人接受手術(shù)，在視網(wǎng)膜上植入一組電極。系統(tǒng)外置的數(shù)碼攝像機(jī)拍攝的影像首先被計算機(jī)進(jìn)行圖像處理，然后被傳給植入的電極，電極再根據(jù)圖像信息刺激視網(wǎng)膜上的細(xì)胞，這些細(xì)胞產(chǎn)生相應(yīng)的電信號并將其傳遞到大腦中，重新打開“大腦的窗口”。由于系統(tǒng)的分辨率很低，只有60像素，所以與其說植入ArgusII系統(tǒng)的病人恢復(fù)了視覺，不如用重見光明來形容或許更合適。

仿生眼領(lǐng)域的飛躍

由于ArgusII等系統(tǒng)的這些限制，科學(xué)家一直以來都在試圖研發(fā)更體現(xiàn)天然眼特征的仿生眼系統(tǒng)。如果能夠研發(fā)出性能更優(yōu)異的系統(tǒng)，一方面可以將其應(yīng)用于非醫(yī)學(xué)領(lǐng)域（更符合天然眼的特征，往往意味著3D視覺成像效果更好）。比如，美國的科學(xué)家在2013年就曾在《自然》雜志上發(fā)表了一篇論文，介紹了他們從昆蟲的復(fù)眼中尋找靈感，制造出的一款仿生眼系統(tǒng)。另一方面，如果能夠研發(fā)出性能更優(yōu)異的系統(tǒng)，也可以探索其在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域可能的應(yīng)用。

《自然》雜志上發(fā)表的這項新研究無論是在技術(shù)策略上，還是使用的材料上，都頗具創(chuàng)新性，使這個仿生眼系統(tǒng)在很多指標(biāo)上都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了此前的人工眼系統(tǒng)，有的指標(biāo)甚至已經(jīng)超過了人眼。同期《自然》雜志上的一篇專家點(diǎn)評稱贊其實(shí)現(xiàn)了相關(guān)領(lǐng)域的一次飛躍。

眼球上的納米線

這并不是科學(xué)家第一次設(shè)計研發(fā)出眼球形的人工眼系統(tǒng)，但其制造策略卻很新穎。正是這種創(chuàng)新性的策略，使這種新系統(tǒng)各方面的表現(xiàn)有了大幅度的提高。

在制造此前的仿生眼系統(tǒng)時，科學(xué)家通常都是先把感光的元件在一個平面上組裝配置好，然后再轉(zhuǎn)移到眼球形狀的支撐系統(tǒng)上。這可以看作是先制備好系統(tǒng)的“視網(wǎng)膜”，然后把“視網(wǎng)膜”貼到“眼球”上。在轉(zhuǎn)移到球形支撐系統(tǒng)上后，各個感光元件之間的空間關(guān)系就立體化了，利用每個感光元件捕獲到的光信號，系統(tǒng)就能分析整合出有立體感的影像。這種策略最大的問題是系統(tǒng)難以達(dá)到較高的分辨率：從平面到球形，“視網(wǎng)膜”會發(fā)生形變，如果感光元件之間最初的距離太近，彼此就會發(fā)生擠壓，影響成像。因此，在使用這種策略制備仿生眼時，感光元件之間必須留出一些空隙。這導(dǎo)致在單位面積的“視網(wǎng)膜”上，感光元件數(shù)量有限，從而限制了系統(tǒng)的分辨率。

在這項新的研究中，研究人員采取了另一種策略：先制造眼球，然后直接在眼球上添加感光元件。他們首先制造了一個非常薄的氧化鋁半球殼，你可以把這個半球殼想象成是將眼球縱向切開之后的后半部分。在制造過程中，科學(xué)家還在這個半球殼上留了很多非常細(xì)（直徑為120納米，也就是0.00012毫米）的通道。接著，他們使用一種被稱為沉積法的方法在這些通道里“長”出一根根納米線，每根納米線的長度大約為5微米（0.005毫米）。組成這些納米線的是一種叫作鈣鈦礦的化合物，這類物質(zhì)由于結(jié)構(gòu)特殊，因此能夠?qū)⒐庑盘栟D(zhuǎn)換為電信號，很多科學(xué)家認(rèn)為鈣鈦礦很有潛力能在下一代光電器件（比如太陽能電池、LED等）中得到廣泛應(yīng)用。正因為這種將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的能力，這些納米線陣列扮演著人工“視網(wǎng)膜”（或者說“視網(wǎng)膜”上的感光細(xì)胞）的角色。

在人眼中，視覺信號通過視神經(jīng)傳入大腦。由于視覺信號在視網(wǎng)膜中是從后向前逐級傳遞到最靠前一層的，因此視神經(jīng)最終會以從前向后的方向穿過視網(wǎng)膜進(jìn)入大腦，穿過的地方正是人眼的盲點(diǎn)：由于這里沒有負(fù)責(zé)感光的神經(jīng)元，因此投射到這里的光我們無法感受到。這個仿生眼系統(tǒng)的設(shè)計策略則使其避免了盲點(diǎn)的存在。由于系統(tǒng)中的鈣鈦礦納米線非常細(xì)，為了便于操作，研究人員首先給這個人工“視網(wǎng)膜”制作了一個“插座”，“插座”上有一根根直徑約為0.7毫米的通道（仍然很細(xì)，但直徑已經(jīng)超過納米線直徑數(shù)千倍）。接著，他們把人工“視網(wǎng)膜”插到這個“插座”上。在“插座”的另一端，每一根通道與一根軟管相連，軟管中充滿了一種液態(tài)的金屬，軟管的另一側(cè)與信號處理系統(tǒng)相連。這些軟管扮演的正是人的視覺系統(tǒng)中視神經(jīng)的角色，通過其中的液態(tài)金屬，把來自納米線的電信號傳遞給計算機(jī)進(jìn)行處理，進(jìn)而產(chǎn)生視覺。由于軟管通過背后一側(cè)連接納米線，因此這個系統(tǒng)沒有盲點(diǎn)。

在制作好眼睛的后半部分后，研究人員將仿生眼的前半部分與后半部分黏合了起來。與后半部分一樣，前半部分也是在模擬人眼的結(jié)構(gòu)，包括扮演瞳孔角色的光圈，扮演晶狀體角色的凸透鏡等等。研究人員還向眼球中注入了能夠?qū)щ姷碾娊赓|(zhì)溶液，除了連通系統(tǒng)的電路外，這些電解質(zhì)液體還扮演著人眼中玻璃體的角色，對人工“視網(wǎng)膜”起支撐作用。

在這項概念驗證性的實(shí)驗中，科學(xué)家制造了一個只包含100根感光納米線的仿生眼，但從理論上來說，系統(tǒng)可以添加更多、更密的納米線。

趕超人眼

無論是原理還是制造工藝，這個仿生眼都并不算復(fù)雜，但其性能卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了此前研發(fā)出的仿生眼，有的指標(biāo)已經(jīng)接近甚至超過了人眼。

球形眼的一個重大優(yōu)勢是視野寬廣，這可以使動物盡早發(fā)現(xiàn)危險（比如捕食者），有利于動物的生存。以人為例，我們的視野范圍可以達(dá)到150-160度。由于充分借鑒了生物眼的球形結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，與此前研發(fā)出的平面仿生眼相比，這個球形仿生眼擁有大得多的視野：此前的平面仿生眼的視野只能達(dá)到70度，而這個球形的仿生眼則達(dá)到了100度。盡管100度和150度比還有不小的差距，但這項研究的科學(xué)家稱，通過優(yōu)化人工“視網(wǎng)膜”上感光納米線的排列方式，這個系統(tǒng)的縱向視野可以達(dá)到與人眼相當(dāng)?shù)乃健?/p>

這個系統(tǒng)在視野上的表現(xiàn)無疑非常優(yōu)異，但真正的飛躍發(fā)生在其對光的反應(yīng)性上。在對光的敏感度上，檢測發(fā)現(xiàn)，這個球形仿生眼對強(qiáng)度范圍很廣的光都能產(chǎn)生反應(yīng)，光強(qiáng)低至每平方厘米0.3微瓦（1微瓦等于一百萬分之一瓦）時仿生眼仍然有反應(yīng)。換句話說，每一根納米線只要每秒鐘檢測到86個光子就能產(chǎn)生“視覺信號”了，其靈敏度已經(jīng)達(dá)到了人眼的水平。

幾乎所有動物，要想生存，都需要對外界環(huán)境的變化時刻保持警覺并盡快做出反應(yīng)。這種事關(guān)生死的需求推動了生物體視覺系統(tǒng)的進(jìn)化，一方面，使感光的神經(jīng)元在被光照射后能迅速產(chǎn)生電信號；另一方面，這些神經(jīng)元在停止光照后能夠迅速恢復(fù)到靜息狀態(tài)，為再一次被光激活做好準(zhǔn)備。也就是說，視網(wǎng)膜上感光神經(jīng)元的光反應(yīng)時間和恢復(fù)時間都要盡可能短。通過用光脈沖照射這個仿生眼，研究人員檢測發(fā)現(xiàn)，其感光納米線在光照后19.2毫秒（1毫秒等于0.001秒）就能產(chǎn)生電信號，在停止照射23.9毫秒后就能恢復(fù)到靜息狀態(tài)。這樣的反應(yīng)速度甚至已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了人眼：人視網(wǎng)膜上的感光神經(jīng)元的反應(yīng)時間和恢復(fù)時間大約在40-150毫秒。

這個仿生眼另一個讓人感到驚艷的地方是它可以實(shí)現(xiàn)的分辨率。無論是人眼，還是相機(jī)，其分辨率都受限于其感光單元的密度。對于人眼來說，這種感光單元就是視網(wǎng)膜上的感光神經(jīng)元；而對于這種新的仿生眼來說，則是能感光的鈣鈦礦納米線。人的視網(wǎng)膜上分布了密度很高的感光神經(jīng)元，每平方厘米上平均有1000萬個這樣的神經(jīng)元。在這個概念驗證性的仿生眼中，雖然科學(xué)家只添加了100根納米線，但根據(jù)這款仿生眼的制造策略和納米線的排布方式，他們理論上能夠在仿生眼的視網(wǎng)膜上添加很高密度的納米線，達(dá)到每平方厘米4.6億根納米線，感光單元的密度已經(jīng)是人視網(wǎng)膜的近50倍。

清晰的影像

一款仿生眼系統(tǒng)，設(shè)計策略再新穎，光電參數(shù)再超人，如果成像效果不好，那么一切都只是空談，因此科研人員隨后對其成像效果進(jìn)行了評估。

科學(xué)家首先把光學(xué)圖案（各種英文字母）投射到這個100像素的概念驗證性仿生眼上。仿生眼在采集到光信號后將其轉(zhuǎn)換為電信號，然后傳給計算機(jī)進(jìn)行處理。一方面，計算機(jī)根據(jù)光電信號的強(qiáng)弱，賦予每一根納米線采集到的信號不同的灰度值；另一方面，這些不同灰度值的影像會被投射到一個平面上。檢測發(fā)現(xiàn)，與平面的影像采集系統(tǒng)相比，這個仿生眼系統(tǒng)的性能要優(yōu)越得多。除了視野更寬外，仿生眼產(chǎn)生的影像很穩(wěn)定，對比度更高，影像的邊界也更加清晰。在對系統(tǒng)進(jìn)一步優(yōu)化后，研究人員用仿生眼采集的信號成功重構(gòu)出了一個大約1毫米見方的英語字母“E”。

盡管實(shí)現(xiàn)了仿生眼領(lǐng)域的飛躍，但這個系統(tǒng)仍有很多地方需要完善：這個仿生眼是概念驗證性的，只有100個像素，其感光區(qū)域的大小只有2毫米見方；仿生眼的制造工藝成本較高，而且有些步驟比較耗時；要想制造更大尺度的仿生眼以及進(jìn)一步提高其分辨率，液態(tài)金屬管需要更細(xì)等等。雖然還有很多地方需要改進(jìn)，但在《自然》雜志的專家點(diǎn)評文章中，美國威斯康星大學(xué)工程系教授江洪睿認(rèn)為，這種技術(shù)有可能在10年內(nèi)在日常生活中得到廣泛應(yīng)用。也許到那時，麗莎·庫利克這樣的病人將能更加清晰地看到這個世界。