研究人员开发出一种柔软的人工视网膜，帮助盲鼠成功响应近红外光——这种光通常对哺乳动物来说是不可见的。
该设备位于生物视网膜表面，能将近红外光转换为电信号。这些信号刺激视网膜神经节细胞，而这些细胞在视网膜色素变性或黄斑变性等疾病破坏眼睛的光感受器后仍能存活。在测试中，这种植入物触发了小鼠的视网膜活动、视觉皮层反应以及光引导行为。
最引人注目的是，它还使正常小鼠能够对红外光做出反应，同时保持其自然可见光反应的完整性。
这些发现还处于早期阶段，仅限于动物实验。但它们为视网膜植入物指明了一个方向，使其不仅能恢复部分丧失的视力，还可能增加新的视觉通道。或许在未来的某个时候，某些人类将能够感知红外光，甚至可能是紫外线或其他目前在我们可见光谱之外的波长。
损伤视网膜的替代方案
视网膜是眼球后部的一层薄组织。其光感受器细胞检测可见光并将其转换为电信号（或更准确地说，是电脉冲），然后这些信号最终到达视网膜神经节细胞，后者通过视神经将信息传送到大脑。
在许多致盲疾病中，光感受器首先死亡。但其他视网膜神经元，包括神经节细胞，可以部分保持完整。这正是新的人工视网膜发挥作用的地方。由延世大学Park Jang-ung教授领导的研究团队开发的这些人工具膜直接刺激剩余的细胞，而不是试图修复已死亡的光感受器。
研究人员在新发表于《自然·电子学》的研究中写道："许多人因导致光感受器退化的视网膜疾病而失明。对视网膜神经元的电刺激可以重现这些细胞生成的与视觉相关的动作电位。"
设备工作原理
这种人工视网膜有三个主要组成部分。
第一个是超薄滤光片，它阻挡来自设备传感器的可见光，同时允许近红外光通过。第二个是光晶体管阵列，这是一个由微小光敏电子元件组成的网格，可将近红外光转换为电流。第三个是一组三维液态金属微柱电极，用于将信号传递给视网膜神经节细胞。
这种柔软的电极设计是该研究中最重要的部分之一。视网膜是精细、弯曲且柔软的。传统的刚性电极可能会损伤组织，引发炎症，或在设备与眼睛之间形成疤痕。
因此，研究团队使用了由镓和铟合金制成的微型液态金属电极（这两种金属在室温下会变成液体）。这些微柱宽约20微米，高约60微米。它们的柔软度比固体金属电极更接近眼组织的机械特性。
作者写道："由于液态金属电极具有低杨氏模量，它们能更接近视网膜神经节细胞，提供有效的电荷注入，同时最大限度地减少组织损伤。"
体外测试视网膜
研究人员首先在正常小鼠和实验室啮齿动物（被设计携带导致视网膜变性的突变）的提取视网膜上测试了该设备。
正常小鼠视网膜对可见蓝光反应强烈。它们对近红外光几乎没有自然反应。到目前为止一切正常，因为哺乳动物的光感受器并不适合检测近红外波长。
但当人工视网膜激活时，近红外光在正常和退化视网膜中都触发了视网膜神经节细胞的活动。随着近红外光变强，发射率也随之增加。这表明该设备可以将不可见的光信号转换为神经活动。
效果出人意料地强。由设备驱动的近红外刺激产生的信号达到了健康组织中可见光产生的视网膜反应水平。
大脑是否接收到了信号？
接下来，研究团队将设备植入活体小鼠体内。他们将其放置在视网膜的内表面（即视网膜的内表面）。他们还在处理视觉信号的大脑区域——初级视觉皮层植入了探针。
植入前，盲鼠对可见光或近红外光都没有明显反应。植入后，近红外刺激在视觉皮层中产生了强烈的活动。这表明电路是完整的，人工视网膜捕获的红外信号被大脑读取。
在正常小鼠中，大脑继续通过其自然光感受器对可见光做出反应。但当植入物工作时，它们的视觉皮层也对近红外光做出反应。
可见光通过生物视觉通路传递，而近红外光则通过人工视网膜通路传递。在实验中，这些通路似乎并行工作，而不是相互干扰。
红外视觉的行为测试
研究人员随后提出了一个更实际的问题：小鼠能否使用红外信号？
他们训练了限制饮水的小鼠执行一项任务，其中光线索预示着水的到来。如果小鼠检测到线索，它会在水到达前开始舔舐。
植入了设备的盲鼠对近红外光表现出预期舔舐反应，而未植入设备的盲鼠则没有。在正常小鼠中，植入物使它们能够对可见光和近红外光线索做出反应。舔舐反应也随着红外光强度的增强而增加。
这并不意味着小鼠像人类看到绿色或蓝色那样"看到"红外光。这意味着该设备创建了一个动物可以感知的信号，并且它们可以学习和使用这个信号。
为什么红外视觉可能有用
近红外假体有一个主要优势：它可能不会与患者剩余的自然视力发生竞争。
许多患有视网膜退化的人仍保留一些视力。他们可能仍能感知光线、运动或外围形状。对这些患者来说，世界就像一片黑暗的阴影，但仍然有些东西。可见光假体可能会干扰这种宝贵的剩余能力。而红外通道则可以补充视力，特别是在低光环境中。
作者写道："未来，这种视网膜可用于在光感受器退行性失明患者中创建近红外视觉通道，而不会干扰他们剩余的自然视力。"
实际上，人类患者可能在黑暗中依赖红外照明源，有点像通过眼睛而不是显示器实现的夜视功能。通过改变材料和滤光片设计，该设备也可以调谐为其他波长。
Park Jang-ung教授表示："这项研究表明了超越疾病治疗的人类增强可能性。我们预计它将在夜视监控、国防、医学诊断和脑机神经接口等多个领域得到应用。"
通往人类视觉的漫漫长路
安全数据令人鼓舞但还处于初步阶段。在设备上生长的人类视网膜色素上皮细胞表现出高存活率。在小鼠中，植入的电极结构在视网膜上保持位置长达六个月，没有明显的炎症、恶性肿瘤、胶质增生或小胶质细胞活化。
Severance医院的合著者Byeon Suk-ho教授表示："与传统的硬金属人工视网膜相比，使用液态金属3D电极的人工视网膜设备显著减少了对视网膜组织的损伤，并确保与视网膜不规则表面的精确稳定接触。这项研究为开发针对盲症患者的定制人工视网膜铺平了道路。"
尽管如此，这个概念验证还需要大量工作。与人眼相比，小鼠眼睛非常小。一个有用的人类植入物需要更多的像素和更精细的控制。它需要安全运行数年。它还需要在复杂的现实世界光照条件下工作，其中阳光和人工光源会产生背景近红外噪声。
另外，如果有一天人类安装了类似的人工视网膜，这些红外光信号将如何被处理也是一个完全的谜。红外信号会以闪光、亮度、轮廓或完全陌生的形式出现吗？患者能否学会用它们来行走、阅读标志或识别物体？
目前，这一成就只是朝着正确方向迈出的第一步——也许是对超越自然赋予我们限制的视觉的一瞥。
研究结果发表在《自然·电子学》上。
【全文结束】
