孫芯蕓 科技日?qǐng)?bào)記者 王春

生活在黑暗中的盲人所忍受的痛苦，正常人無(wú)法體會(huì)。新一代視覺假體的誕生有望讓后期致盲的人群“看”到了復(fù)明的希望。科幻電影中憑借紅外視覺鎖定目標(biāo)的“超視覺”已在實(shí)驗(yàn)室中照進(jìn)現(xiàn)實(shí)。

經(jīng)過7年攻關(guān)，復(fù)旦大學(xué)集成電路與微納電子創(chuàng)新學(xué)院周鵬/王水源團(tuán)隊(duì)、腦科學(xué)研究院張嘉漪/顏彪團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所胡偉達(dá)團(tuán)隊(duì)合作開發(fā)出全球首款光譜覆蓋范圍極廣（470—1550納米，從可見光延伸至近紅外Ⅱ區(qū)）的視覺假體。該假體無(wú)須依賴任何外部設(shè)備，即可使失明動(dòng)物模型恢復(fù)可見光視覺能力，還能賦予動(dòng)物感知紅外光，甚至識(shí)別紅外圖案的“超視覺”功能。6月6日，相關(guān)成果發(fā)表于《科學(xué)》雜志。

打開“超越”生理極限的感知之窗

人類視覺受限于視網(wǎng)膜感光細(xì)胞的天然光譜范圍（380—780納米）。而全球超2億的視網(wǎng)膜變性患者，連這有限的“光明”也被剝奪。

此次發(fā)表于《科學(xué)》的研究中，復(fù)旦聯(lián)合技物所科研團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，研制出碲納米線網(wǎng)絡(luò)（TeNWNs）視網(wǎng)膜假體。從原理上講，TeNWNs假體植入眼底后，可在視網(wǎng)膜中替代凋亡的感光細(xì)胞接收光信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。在光的照射下，它能高效產(chǎn)生微電流，直接激活視網(wǎng)膜上尚存活的神經(jīng)細(xì)胞。

“國(guó)際上有些類似的視覺修復(fù)的研究，采用光電二極管的技術(shù)路徑，植入之后在腦部還需要安裝額外的互連線以及供電模塊和攝像頭等，技術(shù)路線比較繁雜。同時(shí)，還會(huì)受制于光電轉(zhuǎn)化的限制。”復(fù)旦大學(xué)集成芯片與系統(tǒng)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室青年研究員王水源介紹說(shuō)。TeNWNs突破了這些傳統(tǒng)的技術(shù)局限，這種完全自供電、無(wú)須外接設(shè)備的特性，成功讓實(shí)驗(yàn)室里的失明小鼠重新獲得了對(duì)可見光的感知能力。該器件首次實(shí)現(xiàn)了國(guó)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Ⅱ區(qū)。

更令人振奮的是，團(tuán)隊(duì)在非人靈長(zhǎng)類動(dòng)物（食蟹猴）模型上的實(shí)驗(yàn)也驗(yàn)證了該假體的有效性。植入半年后，動(dòng)物模型均未觀察到任何不良排異反應(yīng)，這將為后續(xù)推進(jìn)臨床應(yīng)用轉(zhuǎn)化奠定了重要基礎(chǔ)。

除了恢復(fù)可見光的視覺，TeNWNs視網(wǎng)膜假體還能讓使用者“看見”更長(zhǎng)波長(zhǎng)的紅外光，能夠精確定位940納米和1550納米的紅外光源。“紅外光晚上是全天候的，這意味著失明小鼠裝了這個(gè)材料后，晚上也能看見東西。這是一項(xiàng)開放性的研究。”周鵬說(shuō)。這種融合了“仿生修復(fù)”與“功能拓展”的雙重特性，既規(guī)避了侵入性腦部手術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)，又突破了人類天然視覺的物理極限。

醫(yī)工交叉照亮“復(fù)明之路”

“我們前期主要聚焦高能效的神經(jīng)形態(tài)仿生器件和電路研究，在5年前開始逐漸轉(zhuǎn)型，來(lái)探索其真正可以落地的應(yīng)用，而醫(yī)工交叉的生物電子正是我們認(rèn)為最具應(yīng)用希望和價(jià)值的場(chǎng)景?！蓖跛凑f(shuō)。

記者在現(xiàn)場(chǎng)看到密布碲納米線網(wǎng)絡(luò)的樣品。王水源解釋說(shuō)，“我們會(huì)用激光把它切割成尺寸合適的塊狀，然后由醫(yī)院合作團(tuán)隊(duì)進(jìn)行視網(wǎng)膜下眼底植入”。

成果臨床轉(zhuǎn)化還有很長(zhǎng)的路要走。其原因在于眼球、大腦視皮層等處的結(jié)構(gòu)十分精細(xì)，且實(shí)施手術(shù)的區(qū)域非常有限。后續(xù)開展動(dòng)物相關(guān)的實(shí)驗(yàn)、倫理驗(yàn)證都在探索中。目前團(tuán)隊(duì)依托復(fù)旦大學(xué)附屬眼耳鼻喉科醫(yī)院，已著手深入研究視覺假體與視網(wǎng)膜的高效耦合機(jī)制。

“能否做個(gè)器械植入到動(dòng)物的眼睛，利用人工材料來(lái)實(shí)現(xiàn)生物感光的作用？”復(fù)旦大學(xué)腦功能與腦疾病全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/腦科學(xué)研究院/附屬眼耳鼻喉科醫(yī)院研究員張嘉漪帶著這一科學(xué)構(gòu)想，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在“盲人復(fù)明”相關(guān)研究領(lǐng)域展開了長(zhǎng)達(dá)10年的探索。

2023年，張嘉漪跨學(xué)科合作研究團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上首次基于納米材料成功開發(fā)了第一代人工光感受器，這也是本次研究的前身。相關(guān)成果發(fā)表于《自然—生物醫(yī)學(xué)工程》，獲批發(fā)明專利2項(xiàng)。

張嘉漪介紹，團(tuán)隊(duì)的研究策略是雙軌并行：除了開發(fā)人工光感受器等生物假體材料進(jìn)行生物替代，也在同步探索針對(duì)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(yù)；到了晚期，若感光細(xì)胞已凋亡且缺乏生物靶點(diǎn)，則可以采用假體進(jìn)行替代?！彼赋?，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。

新成果將有望改寫“人造視覺”技術(shù)規(guī)則。未來(lái)，患者不再需要笨重的VR眼鏡和平臺(tái)充電，僅需一次微創(chuàng)且可逆的視網(wǎng)膜下眼底植入，即可重獲可見光視覺，并增強(qiáng)擴(kuò)展至紅外感知范圍。新一代視覺假體技術(shù)不僅讓失明者重見光明，更是為人類打開了一扇超越生命極限的感知之窗。