關於重見光明這事 科學家有了植入設備的大膽計劃

出品|網易科學人欄目組譯者|翟中超斯坦福大學神經學家齊齊爾尼斯基有一個大膽的計劃――創造可植入設備幫助盲人恢復視力。想要做到這一點,他必須對電子設備與人交互的方式進行革命!重見曙光關於重見光明這事 科學家有了植入設備的大膽計劃
“機械”想象圖。對於近200萬患有退行性病的美國人來說,想要重新看見光明幾乎是不可能的。儘管我們可以減緩視力喪失的進程,比如說,患者可以服用特殊的維生素來治療疾病,但是還沒有根治的方法。一旦失去,視力就無法恢復。色素性視網膜炎和老年性黃斑病變是最顯著的兩種病因,它們會導致視網膜上的細胞相繼死亡。結果是,患這些疾病的人會隨着年齡的增長而失去視力。考慮到我們日益老齡化的人口,因此這些情況也越來越令人擔憂。幸運的是,未來的解決方案即將來臨。這種解決方法與“半機械人”有關。在過去的幾年裡,有些病人很幸運接受了設備植入視網膜的手術因此得以重見光明。不幸的是,這些植入設備的效果不盡如人意,只能大概分清是明是暗,無法看清細節。樹脂黃的價格太貴,患者需要花費15萬美元!但從某種角度來看,有總比沒有要好。“我知道我不會完全恢復視力,或者也不能分清人臉,但我至少能看到我的孫子在院子里嬉戲玩耍,”一名接受設備植入的患者這樣說道。但是斯坦福大學醫學院神經外科和科教授齊齊爾尼斯基對視網膜植入有一個更宏大的願景。為了實現這一願景,他計劃發明一種能徹底變革電子設備與大腦交互方式的裝置!與視網膜的對話為了更深入地分解這個問題,我們先熟悉一下視覺成像的過程,首先需要有一雙健康的睛,這時光線穿過角膜和晶狀體,通過瞳孔進入睛,然後光線就會落到視網膜上,一系列不同的細胞將光轉化為電信號,這些電信號經過視覺神經傳送到大腦如上所述,色素性視網膜炎和老年性黃斑病變導致視網膜中的許多細胞死亡,因此傳輸視覺信息的電信號在到達大腦之前就已經停止了。目前的視網膜植入物只是取代了那些死去的細胞並將光線轉為電信號。但是這種疾病並不會殺死視網膜上所有的細胞,這就是當前植入物出現問題的地方。視網膜神經節細胞,這種從視網膜的其他細胞中獲取信息的細胞,似乎能在視網膜細胞的死亡中倖存下來。視網膜上有大約20種不同類型的視網膜神經節細胞,不同類型的神經節細胞負責將不同類型的信息傳遞給大腦時間對這些細胞的功能至關重要。一種類型的細胞可以將光線變亮的信息告訴給大腦,而另一類型的細胞可以傳遞光線變暗的的信息。如果這兩種細胞同時被激活,“這就會造成向大腦發送了一個無意義的信號,”齊齊爾尼斯基說道。這就是當前視網膜植入物存在局限性的部分原因。正如齊齊爾尼斯基指出的,目前的植入裝置忽略了視網膜神經節細胞,使它們同時處於激活狀態。“視覺成像就像一個管弦樂隊在演奏交響樂。想要實現視覺成像,想要音樂奏得美妙,就需要在合適的時間、合適的地點發出合適的信號,”齊齊爾尼斯基說道。“如果讓所有樂器不加區別的任意演奏,人們的確會聽到聲音,但聽到的並不是音樂。”關於重見光明這事 科學家有了植入設備的大膽計劃
視網膜上的細胞具有各司其職又協力合作的關係,就像樂隊的演奏一樣要有秩序。齊齊爾尼斯基目的是令每一種神經節細胞,每一種“樂器”,在合適的時間進行演奏。最終,他的號稱“智能假體”的團隊將通過外科手術將設備植入患者的睛,並可能利用為患者特製的鏡來對設備進行無線供電。但是想要實現這一壯舉他們還有很多事情需要去完成。“在正確的時間將正確的信號發送到正確的細胞是很困難的,因為不同類型的神經節細胞的混合物不同於獨立個體的存在,甚至可能隨着時間的推移而改變,”齊齊爾尼斯基說道。齊齊爾尼斯基的解決方案是創建一種設備,這種設備不僅可以將正確的信號傳輸到神經節細胞,還要通過查看視網膜來找出哪一種神經節細胞在哪個位置。然後,設備可以在合適的時間激活細胞進而產生一個內聚的圖像。“這是與視網膜的對話,這種裝置必須在各種細胞構成的複雜迴路中來回對話,”他解釋道。齊齊爾尼斯基設想這個設備的最終版本將會無時無刻在“寫”,但只是偶爾去“讀”視網膜。但是還有其他的技術挑戰。該設備必須由合適的材料製成,這樣它就能長時間停留在視網膜上而不會破壞視網膜或引起免疫反應。這種裝置還要求高密度的細粒電極集中在一個小芯片上,並且不能釋放太多的熱量。“我們必須要考慮到所有情況,並將這些細節有效地編排到芯片中,如此一來才能使裝置一直感知周圍的環境、找出正在發生的事情,並在正確的時間正確的地點做正確的事情。它必須足夠聰明才能與神經迴路對話,”齊齊爾尼斯基說道。“這是一個艱巨的任務。”前途是光明的齊齊爾尼斯基團隊由多名神經系統科學家、電路設計師和一名科醫生組成。這名醫生仍在研究這個裝置的精密設計。目前,研究人員正在利用從動物眼睛里切除的視網膜來對不同技術進行測試。想要完成所有的任務,緊緻裝置的執行是必走的一步,因此他們需要一件充滿科學設備的實驗室。他們計劃把這一切都裝在一個微小的植入芯片上。齊齊爾尼斯基團隊並非這項偉大遊戲的唯一參與方。其他科學家正在努力修復患有色素性視網膜炎和老年性黃斑病變的患者的視力,並且基因治療和幹細胞治療技術的測試已經產生了引人關注的結果。但是齊齊爾尼斯基並不擔心。“如果有人和我們一起為治療老年性黃斑病變而努力,我會很受感動,”他說道。“對於連接大腦的組織來說,視網膜是理解最充分和最容易修復的一部分,但視網膜的修復只是一個開始。”不管治療失明的其他領域有何發展,齊齊爾尼斯基相信他正在開發的技術將代表神經植入的未來,因為這些技術除了能拯救失明,還有其他許多效用。可以用同樣的“語言”來和大腦進行傾聽和說話的設備,將使人類能夠治療像帕金森症和阿爾茨海默症這樣的神經退行性疾病,此外還能控制假肢。同樣的技術可能會被用來“升級”我們自己身體的功能,比如增強我們的記憶,將我們的視野推向新的極限。“這並非天方夜譚,如果你認為這些情況不會發生,那是因為你了解的還不夠,”齊齊爾尼斯基說道。根據他的說法,視網膜是連接大腦的組織中理解最充分和最容易修復的一部分,但視網膜的修復只是一個開始。

齊齊爾尼斯基希望在接下來的幾年裡製造出一個實驗室原型,並在5年內開始對活體動物進行測試。在預測這種裝置何時能在人類身上進行測試、何時可以廣泛使用,齊齊爾尼斯基也不能確定,但他希望設備進入人體研究能在未來10年內實現。儘管這項技術還處於早期階段,儘管還不能將其分拆為一家公司或並尋求投資,但齊齊爾尼斯基相信人們不久後會感興趣的。“我正在討論的這件事是一場革命,”他說道。作為同時代者,我們很幸運來到這裡見證這項壯舉的開始!

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