眼睛是我们观察世界的重要器官,视网膜是眼睛收外界光信号并转化成神经信号的地方,密集排列的感光器可帮助我们区分颜色和精细细节,视网膜的半球形结构为我们提供了广阔的视野。而因为外伤导致视网膜受损而失明一直以来都是难以修复的。近期,研究人员在2020年5月20日发表于《自然》杂志上的文章描述了他们如何创造出模仿人类视网膜形状和结构的人造眼睛。
人造蛋白质视网膜问世，有望为盲人带来光明吗？
目前，24岁的凡妮莎·雷斯特雷波-施尔德（Vanessa Restrepo-Schild）还在牛津大学化学学院学习，而这位年轻的学者率领的团队已经首次人工合成了一种新的生物质视网膜。与以往“人造视网膜”不同的是，本次采用的并非传统刚性材料，而是在实验室条件下培养的合成生物组织。这项发现有望在未来给器官移植业带来巨大变革，促进新型低侵入性人造器官类似物的开发，帮助治疗眼部器质性病变，为视力障碍人士带来福音。
视网膜在获得视力的过程中所起到的作用类似摄影中摄像头像素的感光过程。视网膜位于人眼后部，包含具有把光信号转换成能通过神经系统传导的电信号功能的蛋白细胞。电信号传导后会触发大脑的应答机制，最终在大脑中形成所见场景的视觉图片。凡妮莎·雷斯特雷波-施尔德带领的团队开发了一种仿天然视网膜工作过程的双层合成视网膜。
该人工合成的视网膜由柔软的水滴（即水凝胶）和生物细胞膜蛋白组成。整体设计类似摄像头，细胞作为像素点，检测光线并做出反应，最终得以创建一个基于灰度的图像。 合成视网膜组成结构示意图上图即为合成视网膜组成结构示意图，具体来讲，它是一种“轻度活化的液滴状水凝胶双层生物像素感光点。”如果放置在油性溶液中，紫色液滴将与（蓝色）水凝胶立方体形成双层膜结构。
这位土生土长的哥伦比亚人同时表示：“这种合成材料可以产生电信号，它能像原始视网膜一样刺激我们眼睛后面的神经元。”本项研究成果首次发表于《科学报道》（Scientific Reports）一刊，与现有的视网膜植入物不同的是，该细胞培养产物所采用的材料全天然，生物可降解，不含外源异物或其他活体成分。也正因如此，这种植入物比机械设备的侵入性更小，身体也不太可能对其产生不良反应。
雷斯特雷波-施尔德称，“人眼非常敏感，这也是为何类似金属视网膜植入物一类的异物会具有很强的破坏性，导致炎症和/或者排斥。但是生物合成的植入物柔软，结构基于水组成，对眼睛具有更好的亲和性。”尽管这一合成视网膜仍处于在实验室条件下被测试的阶段，雷斯特雷波-施尔德小姐已经热衷于继续将这项研究开展下去，并探索在生物组织上的潜在应用。
人造视网膜得到普及了吗？它目前面临的最大难题是什么？
人造视网膜有可能为某些失明的人恢复一些视力，但它也有它自己的问题。首先，复杂的电子设备经常会出现过热的情况，这对手机或笔记本电脑来说已经够糟糕的了所以这绝对不会是人们想要的东西。现在，斯坦福大学的一个研究小组发现了一种可能绕过这个问题的方法，即更有选择性地处理数据。 人造视网膜本质上是一个被植入眼球后部的摄像机传感器，其通过收集进入眼球的光线然后将其转换成电信号。
这些信号则通过另一侧的电极阵列传递到神经元，神经元再通过视神经将数据传递到大脑，在那里大脑可以处理它看到的东西。然而在现实生活中这项技术还没有完全实现。数以百计的电极产生电脉冲，同时还会产生大量的热量，而这些热量基本上会煎掉眼睛后部的组织。显然，这并不理想。对此，斯坦福大学的研究小组开始寻找减少热量的方法。
最简单的方法就是减少眼睛里的数据量。理想情况下，这将在不降低提取视觉信息量的情况下进行。研究小组表示，视觉信息必须被数字化然后进行压缩进而可以跟眼睛后部的神经元进行交流。在以往的版本中，这是两个独立的步骤，但现在研究人员将它们结合起来从而减少需要存储和传输的数据量。这张图展示了人造视网膜是如何工作的天然视网膜是由不同细胞组成的，这些细胞对光的反应有所不同，研究人员能够通过“波”的形状来判断是哪种细胞产生了某种特定的电信号。
之后，研究小组认识到他们可以忽略某些类型的信号。如果一个电极记录了一个信号，那么人造视网膜就会知道它的重要性并将其存储和处理。但如果几个电极记录了相同的信号，那么它则会被认为是噪音，可忽略不计。通过这一过程，人工视网膜可以展开更有效的运转且不会影响到通过的视觉信息的数量。在测试中，研究小组将采集的数据量削减了40倍而只丢失了5%的细胞。
目前的人造视网膜只使用了几百个电极，但高分辨率的数字视网膜则需要成千上万个电极。在这种情况下，热量将成为一个更大的问题，因此研究人员表示，这是朝着这一目标迈出的重要一步。相关研究报告已发表在《IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems》上。
香港科大设计出世界首个3D人工眼球,或比人眼成像更清晰!据外媒报道,香港科技大学的研究人员设计出世界上第一个3D人工眼球,由于人工视网膜中集成了大量的纳米传感器,理论上可以实现超过人眼的高分辨率成像,目前正计划进行动物和临床试验,预计五年内投入使用。
文章TAG：
