我國研究人員在視覺假體領域取得重大突破。
6月6日凌晨2點,復旦大學集成芯片與系統全國重點實驗室/集成電路與微納電子創新學院周鵬、王水源,腦功能與腦疾病全國重點實驗室/腦科學研究院/附屬眼耳鼻喉科醫院張嘉漪,中國科學院上海技術物理研究所、紅外科學與技術全國重點實驗室胡偉達團隊合作在《科學》(Science)雜志發表題為
《碲納米線視網膜假體增強失明視覺》(“Tellirium Nanowire Retinal Nanoprosthesis Improves Vision in Models of Blindness”)論文, 最新研究成果顯示,借助腦機接口等技術,新一代視覺假體不僅使失明動物恢復可見光視力,還可擴展其視覺功能,這為失明患者復明提供了新可能。
周鵬、王水源,張嘉漪,胡偉達為論文共同通訊作者,王水源和博士生姜承勇、余羿葉,南洋理工大學博士后張振漢,北京郵電大學副教授屈賀如歌為論文共同第一作者。復旦大學附屬眼耳鼻喉科醫院姜春暉主任完成了非人靈長類的眼部植入手術,顏彪參與了視覺功能評估。
團隊合影(從左至右:王水源、胡偉達、張嘉漪、周鵬) 溫叢健 攝
研究顯示,該團隊開發出全球首款光譜覆蓋范圍極廣(470-1550nm,從可見光延伸至近紅外二區)的視覺假體,該假體無需依賴任何外部設備,即可使失明動物模型恢復可見光視覺能力,還能賦予動物感知紅外光,甚至識別紅外圖案的“超視覺”功能,也就是在黑暗中也能看見事物。
超視覺假體實物樣品 溫叢健 攝
該科研團隊在接受澎湃新聞記者采訪時表示,通常而言的“可見光”,指人類視網膜可感知的光譜范圍(380-780nm)。在全球,有超2億的視網膜變性(感光細胞死亡)患者無法感受這樣的“光明”。此次,復旦聯合上海技物所科研團隊研制出碲納米線網絡(TeNWNs)視網膜假體,該器件的光電流密度達到了當前已知體系的最高水平,并首次實現了國際上光譜覆蓋最寬的視覺重建與拓展,范圍橫跨可見光至近紅外二區。
TeNWNs光電流密度和光譜范圍
當TeNWNs假體植入眼底后,可在視網膜中替代凋亡的感光細胞接收光信號,并將其轉化為電信號。這是一種廣義腦機接口技術。在光的照射下,它能高效產生微電流,直接激活視網膜上尚存活的神經細胞。這種完全自供電、無需外接設備的特性,成功讓實驗室里的失明小鼠重新獲得了對可見光的感知能力。
TeNWNs修復和增強盲人視覺示意圖及作用機制
同時,科研團隊在非人靈長類動物(食蟹猴)模型上的實驗也驗證了該假體的有效性。植入半年后,動物模型均未觀察到任何不良排異反應,這為后續推進臨床應用轉化奠定了重要基礎。目前,團隊已著手深入研究視覺假體與視網膜的高效耦合機制。
值得關注的是,該假體不僅能修復可見光視覺,更能將視覺感知拓展至紅外波長范圍。這種融合了“仿生修復”與“功能拓展”的雙重特性,既規避了侵入性腦部手術的風險,又突破了人類天然視覺的物理極限。同時,它也帶來對醫學倫理挑戰。
該團隊告訴記者,考慮到目前醫學倫理的限制,研究暫時不會進入臨床試驗階段。不過,展望未來,這種新一代超視覺假體技術能讓失明者重新感受到視覺,也有望為人類打開一扇超越生理極限的感知之窗。
2021年,該團隊就在國際上首次提出了單器件感存算功能的集成,真實模仿了視網膜完整架構,成果發表于
《自然-納米科技》(Nature Nanotechnology),這成為了本次研究開展的重要基礎。此后,團隊率先把目光瞄準了最為關鍵的視覺功能。2023年,團隊在國際上首次基于納米材料成功開發了第一代人工光感受器,這也是本次研究的前身。相關成果發表于
《自然-生物醫學工程》(Nature Biomedical Engineering)。除了本次發表的“盲視”,還包括神經調控、功能恢復、腦機/腦脊接口……研究探索之路仍在繼續。
“盡可能幫助失明患者、為其提供更多復明可能,始終是我們團隊研究的初心。”該研究團隊成員說,他們的研究策略是雙軌并行:除了開發生物假體材料(如人工光感受器)進行生物替代,也在同步探索針對失明的基因治療手段。“在疾病早期階段,可以嘗試基因治療等生物干預;到了晚期,若感光細胞已凋亡且缺乏生物靶點,則可以采用假體進行替代。”這兩種路徑相輔相成,有望覆蓋更多處于不同疾病階段的失明患者。
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