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”，但實際上，也許“大腦的窗口”這個描述更為貼切。

視覺中國　?圖

科學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，系統可以添加更多、更密的納米線。

★中美兩國科學家發明了一種新型的仿生眼，在某些參數和特點上，它甚至超過了人眼，這一發明或將有助于眾多眼病患者更清晰地看見五彩繽紛的世界。

麗莎·庫利克（Lisa Kulik）曾經是一名獸醫助理，在21歲時的一次例行體檢中，醫生發現她患有一種名叫視網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了一種名為“ArgusII”的“人工眼”植入手術。庫利克申請成為第一批接受手術的病人，并在手術后重見光明。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使用的“人工眼”）植入手術后，病人視力的恢復程度仍然十分有限。以ArgusII為例，系統只能產生一個60像素的黑白影像。

近日，中國香港和美國的科學家在國際著名科學期刊《自然》雜志上發表了一項新的研究成果，介紹了他們借鑒人眼的結構和原理，發明的一種新型仿生眼。在某些參數和特點上，這種仿生眼甚至超過了人眼。盡管這種裝置距離實際應用還很遙遠，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”，但實際上，也許“大腦的窗口”這個描述更為貼切：光線進入眼球，經晶狀體聚焦，穿過玻璃體后，投射到視網膜上。視網膜由很多層神經元（神經細胞）組成。其中最靠后的一層神經元能夠感受光（因此也被稱為光感受器）并把光信號轉化為電信號，以從后向前的方向將電信號傳遞給下一級神經元。這些電信號在逐級傳遞的過程中還會經過一定的預處理，最終通過視神經傳遞到大腦。傳入的視覺信號在大腦中特定的區域進一步被整合處理，最終使我們產生視覺。

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

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

仿生眼領域的飛躍

由于ArgusII等系統的這些限制，科學家一直以來都在試圖研發更體現天然眼特征的仿生眼系統。如果能夠研發出性能更優異的系統，一方面可以將其應用于非醫學領域（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，美國的科學家在2013年就曾在《自然》雜志上發表了一篇論文，介紹了他們從昆蟲的復眼中尋找靈感，制造出的一款仿生眼系統。另一方面，如果能夠研發出性能更優異的系統，也可以探索其在醫學領域可能的應用。

《自然》雜志上發表的這項新研究無論是在技術策略上，還是使用的材料上，都頗具創新性，使這個仿生眼系統在很多指標上都遠遠超過了此前的人工眼系統，有的指標甚至已經超過了人眼。同期《自然》雜志上的一篇專家點評稱贊其實現了相關領域的一次飛躍。

眼球上的納米線

這并不是科學家第一次設計研發出眼球形的人工眼系統，但其制造策略卻很新穎。正是這種創新性的策略，使這種新系統各方面的表現有了大幅度的提高。

在制造此前的仿生眼系統時，科學家通常都是先把感光的元件在一個平面上組裝配置好，然后再轉移到眼球形狀的支撐系統上。這可以看作是先制備好系統的“視網膜”，然后把“視網膜”貼到“眼球”上。在轉移到球形支撐系統上后，各個感光元件之間的空間關系就立體化了，利用每個感光元件捕獲到的光信號，系統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難以達到較高的分辨率：從平面到球形，“視網膜”會發生形變，如果感光元件之間最初的距離太近，彼此就會發生擠壓，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。這導致在單位面積的“視網膜”上，感光元件數量有限，從而限制了系統的分辨率。

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，科學家還在這個半球殼上留了很多非常細（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，這類物質由于結構特殊，因此能夠將光信號轉換為電信號，很多科學家認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）中得到廣泛應用。正因為這種將光信號轉換為電信號的能力，這些納米線陣列扮演著人工“視網膜”（或者說“視網膜”上的感光細胞）的角色。

在人眼中，視覺信號通過視神經傳入大腦。由于視覺信號在視網膜中是從后向前逐級傳遞到最靠前一層的，因此視神經最終會以從前向后的方向穿過視網膜進入大腦，穿過的地方正是人眼的盲點：由于這里沒有負責感光的神經元，因此投射到這里的光我們無法感受到。這個仿生眼系統的設計策略則使其避免了盲點的存在。由于系統中的鈣鈦礦納米線非常細，為了便于操作，研究人員首先給這個人工“視網膜”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，但直徑已經超過納米線直徑數千倍）。接著，他們把人工“視網膜”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的金屬，軟管的另一側與信號處理系統相連。這些軟管扮演的正是人的視覺系統中視神經的角色，通過其中的液態金屬，把來自納米線的電信號傳遞給計算機進行處理，進而產生視覺。由于軟管通過背后一側連接納米線，因此這個系統沒有盲點。

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構，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導電的電解質溶液，除了連通系統的電路外，這些電解質液體還扮演著人眼中玻璃體的角色，對人工“視網膜”起支撐作用。

在這項概念驗證性的實驗中，科學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雜，但其性能卻遠遠超過了此前研發出的仿生眼，有的指標已經接近甚至超過了人眼。

球形眼的一個重大優勢是視野寬廣，這可以使動物盡早發現危險（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到150-160度。由于充分借鑒了生物眼的球形結構特點，與此前研發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到70度，而這個球形的仿生眼則達到了100度。盡管100度和150度比還有不小的差距，但這項研究的科學家稱，通過優化人工“視網膜”上感光納米線的排列方式，這個系統的縱向視野可以達到與人眼相當的水平。

這個系統在視野上的表現無疑非常優異，但真正的飛躍發生在其對光的反應性上。在對光的敏感度上，檢測發現，這個球形仿生眼對強度范圍很廣的光都能產生反應，光強低至每平方厘米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。換句話說，每一根納米線只要每秒鐘檢測到86個光子就能產生“視覺信號”了，其靈敏度已經達到了人眼的水平。

幾乎所有動物，要想生存，都需要對外界環境的變化時刻保持警覺并盡快做出反應。這種事關生死的需求推動了生物體視覺系統的進化，一方面，使感光的神經元在被光照射后能迅速產生電信號；另一方面，這些神經元在停止光照后能夠迅速恢復到靜息狀態，為再一次被光激活做好準備。也就是說，視網膜上感光神經元的光反應時間和恢復時間都要盡可能短。通過用光脈沖照射這個仿生眼，研究人員檢測發現，其感光納米線在光照后19.2毫秒（1毫秒等于0.001秒）就能產生電信號，在停止照射23.9毫秒后就能恢復到靜息狀態。這樣的反應速度甚至已經遠遠超過了人眼：人視網膜上的感光神經元的反應時間和恢復時間大約在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現的分辨率。無論是人眼，還是相機，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膜上的感光神經元；而對于這種新的仿生眼來說，則是能感光的鈣鈦礦納米線。人的視網膜上分布了密度很高的感光神經元，每平方厘米上平均有1000萬個這樣的神經元。在這個概念驗證性的仿生眼中，雖然科學家只添加了100根納米線，但根據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膜上添加很高密度的納米線，達到每平方厘米4.6億根納米線，感光單元的密度已經是人視網膜的近50倍。

清晰的影像

一款仿生眼系統，設計策略再新穎，光電參數再超人，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行了評估。

科學家首先把光學圖案（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換為電信號，然后傳給計算機進行處理。一方面，計算機根據光電信號的強弱，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。檢測發現，與平面的影像采集系統相比，這個仿生眼系統的性能要優越得多。除了視野更寬外，仿生眼產生的影像很穩定，對比度更高，影像的邊界也更加清晰。在對系統進一步優化后，研究人員用仿生眼采集的信號成功重構出了一個大約1毫米見方的英語字母“E”。

盡管實現了仿生眼領域的飛躍，但這個系統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一步提高其分辨率，液態金屬管需要更細等等。雖然還有很多地方需要改進，但在《自然》雜志的專家點評文章中，美國威斯康星大學工程系教授江洪睿認為，這種技術有可能在10年內在日常生活中得到廣泛應用。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。