出品|網(wǎng)易科學(xué)人欄目組
譯者|翟中超
斯坦福大學(xué)神經(jīng)學(xué)家齊齊爾尼斯基有一個大膽的計劃——創(chuàng)造可植入設(shè)備幫助盲人恢復(fù)視力。想要做到這一點(diǎn)，他必須對電子設(shè)備與人腦交互的方式進(jìn)行革命！
重見曙光
對于近200萬患有退行性眼病的美國人來說，想要重新看見光明幾乎是不可能的。盡管我們可以減緩視力喪失的進(jìn)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(fù)。
色素性視網(wǎng)膜炎和老年性黃斑病變是最顯著的兩種病因，它們會導(dǎo)致視網(wǎng)膜上的細(xì)胞相繼死亡。結(jié)果是，患這些疾病的人會隨著年齡的增長而失去視力。考慮到我們?nèi)找胬淆g化的人口，因此這些情況也越來越令人擔(dān)憂。
幸運(yùn)的是，未來的解決方案即將來臨。這種解決方法與“半機(jī)械人”有關(guān)。
在過去的幾年里，有些病人很幸運(yùn)接受了設(shè)備植入視網(wǎng)膜的手術(shù)因此得以重見光明。不幸的是，這些植入設(shè)備的效果不盡如人意，只能大概分清是明是暗，無法看清細(xì)節(jié)。樹脂黃的價格太貴，患者需要花費(fèi)15萬美元！但從某種角度來看，有總比沒有要好?！拔抑牢也粫耆謴?fù)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(shè)備植入的患者這樣說道。
但是斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)院神經(jīng)外科和眼科教授齊齊爾尼斯基對視網(wǎng)膜植入有一個更宏大的愿景。為了實現(xiàn)這一愿景，他計劃發(fā)明一種能徹底變革電子設(shè)備與大腦交互方式的裝置！
與視網(wǎng)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眼睛，這時光線穿過角膜和晶狀體，通過瞳孔進(jìn)入眼睛，然后光線就會落到視網(wǎng)膜上，一系列不同的細(xì)胞將光轉(zhuǎn)化為電信號，這些電信號經(jīng)過視覺神經(jīng)傳送到大腦。
如上所述，色素性視網(wǎng)膜炎和老年性黃斑病變導(dǎo)致視網(wǎng)膜中的許多細(xì)胞死亡，因此傳輸視覺信息的電信號在到達(dá)大腦之前就已經(jīng)停止了。目前的視網(wǎng)膜植入物只是取代了那些死去的細(xì)胞并將光線轉(zhuǎn)為電信號。但是這種疾病并不會殺死視網(wǎng)膜上所有的細(xì)胞，這就是當(dāng)前植入物出現(xiàn)問題的地方。
視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞，這種從視網(wǎng)膜的其他細(xì)胞中獲取信息的細(xì)胞，似乎能在視網(wǎng)膜細(xì)胞的死亡中幸存下來。視網(wǎng)膜上有大約20種不同類型的視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞，不同類型的神經(jīng)節(jié)細(xì)胞負(fù)責(zé)將不同類型的信息傳遞給大腦。
時間對這些細(xì)胞的功能至關(guān)重要。一種類型的細(xì)胞可以將光線變亮的信息告訴給大腦，而另一類型的細(xì)胞可以傳遞光線變暗的的信息。如果這兩種細(xì)胞同時被激活，“這就會造成向大腦發(fā)送了一個無意義的信號，”齊齊爾尼斯基說道。
這就是當(dāng)前視網(wǎng)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(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞，使它們同時處于激活狀態(tài)?！耙曈X成像就像一個管弦樂隊在演奏交響樂。想要實現(xiàn)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(diǎn)發(fā)出合適的信號，”齊齊爾尼斯基說道?！叭绻屗袠菲鞑患訁^(qū)別的任意演奏，人們的確會聽到聲音，但聽到的并不是音樂?！?/span>
視網(wǎng)膜上的細(xì)胞具有各司其職又協(xié)力合作的關(guān)系，就像樂隊的演奏一樣要有秩序。（圖/克里斯）
齊齊爾尼斯基目的是令每一種神經(jīng)節(jié)細(xì)胞，每一種“樂器”，在合適的時間進(jìn)行演奏。最終，他的號稱“智能假體”的團(tuán)隊將通過外科手術(shù)將設(shè)備植入患者的眼睛，并可能利用為患者特制的眼鏡來對設(shè)備進(jìn)行無線供電。
但是想要實現(xiàn)這一壯舉他們還有很多事情需要去完成?！霸谡_的時間將正確的信號發(fā)送到正確的細(xì)胞是很困難的，因為不同類型的神經(jīng)節(jié)細(xì)胞的混合物不同于獨(dú)立個體的存在，甚至可能隨著時間的推移而改變，”齊齊爾尼斯基說道。
齊齊爾尼斯基的解決方案是創(chuàng)建一種設(shè)備，這種設(shè)備不僅可以將正確的信號傳輸?shù)缴窠?jīng)節(jié)細(xì)胞，還要通過查看視網(wǎng)膜來找出哪一種神經(jīng)節(jié)細(xì)胞在哪個位置。然后，設(shè)備可以在合適的時間激活細(xì)胞進(jìn)而產(chǎn)生一個內(nèi)聚的圖像?！斑@是與視網(wǎng)膜的對話，這種裝置必須在各種細(xì)胞構(gòu)成的復(fù)雜回路中來回對話，”他解釋道。齊齊爾尼斯基設(shè)想這個設(shè)備的最終版本將會無時無刻在“寫”，但只是偶爾去“讀”視網(wǎng)膜。
但是還有其他的技術(shù)挑戰(zhàn)。該設(shè)備必須由合適的材料制成，這樣它就能長時間停留在視網(wǎng)膜上而不會破壞視網(wǎng)膜或引起免疫反應(yīng)。這種裝置還要求高密度的細(xì)粒電極集中在一個小芯片上，并且不能釋放太多的熱量。“我們必須要考慮到所有情況，并將這些細(xì)節(jié)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(huán)境、找出正在發(fā)生的事情，并在正確的時間正確的地點(diǎn)做正確的事情。它必須足夠聰明才能與神經(jīng)回路對話，”齊齊爾尼斯基說道。“這是一個艱巨的任務(wù)?！?/span>
前途是光明的
齊齊爾尼斯基團(tuán)隊由多名神經(jīng)系統(tǒng)科學(xué)家、電路設(shè)計師和一名眼科醫(yī)生組成。這名醫(yī)生仍在研究這個裝置的精密設(shè)計。目前，研究人員正在利用從動物眼睛里切除的視網(wǎng)膜來對不同技術(shù)進(jìn)行測試。想要完成所有的任務(wù)，緊致裝置的執(zhí)行是必走的一步，因此他們需要一件充滿科學(xué)設(shè)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(tuán)隊并非這項偉大游戲的唯一參與方。
其他科學(xué)家正在努力修復(fù)患有色素性視網(wǎng)膜炎和老年性黃斑病變的患者的視力，并且基因治療和干細(xì)胞治療技術(shù)的測試已經(jīng)產(chǎn)生了引人關(guān)注的結(jié)果。但是齊齊爾尼斯基并不擔(dān)心?！叭绻腥撕臀覀円黄馂橹委熇夏晷渣S斑病變而努力，我會很受感動，”他說道。
“對于連接大腦的組織來說，視網(wǎng)膜是理解最充分和最容易修復(fù)的一部分，但視網(wǎng)膜的修復(fù)只是一個開始。”
不管治療失明的其他領(lǐng)域有何發(fā)展，齊齊爾尼斯基相信他正在開發(fā)的技術(shù)將代表神經(jīng)植入的未來，因為這些技術(shù)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(jìn)行傾聽和說話的設(shè)備，將使人類能夠治療像帕金森癥和阿爾茨海默癥這樣的神經(jīng)退行性疾病，此外還能控制假肢。
同樣的技術(shù)可能會被用來“升級”我們自己身體的功能，比如增強(qiáng)我們的記憶，將我們的視野推向新的極限。“這并非天方夜譚，如果你認(rèn)為這些情況不會發(fā)生，那是因為你了解的還不夠，”齊齊爾尼斯基說道。根據(jù)他的說法，視網(wǎng)膜是連接大腦的組織中理解最充分和最容易修復(fù)的一部分，但視網(wǎng)膜的修復(fù)只是一個開始。
齊齊爾尼斯基希望在接下來的幾年里制造出一個實驗室原型，并在5年內(nèi)開始對活體動物進(jìn)行測試。在預(yù)測這種裝置何時能在人類身上進(jìn)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(shè)備進(jìn)入人體研究能在未來10年內(nèi)實現(xiàn)。
盡管這項技術(shù)還處于早期階段，盡管還不能將其分拆為一家公司或并尋求投資，但齊齊爾尼斯基相信人們不久后會感興趣的?！拔艺谟懻摰倪@件事是一場革命，”他說道。作為同時代者，我們很幸運(yùn)來到這里見證這項壯舉的開始！
