人工视网膜研究正在走向赋能重见光明的康庄大道上
在过去的15年中，通过研究，假体视网膜已经从科幻小说的领域转移到了可能的科学领域。
在生物电子学方面，大学研究人员正在不断开发技术来改善人们的生活质量，其中包括麻痹，耳聋和失明等问题。
尤其是，一种解决视力丧失的方法是人工视网膜-首先是2007年的Argus II植入物。截至2018年，Second Sight Medical（Argus II的设计者）声称已经有300多种Argus II设备投入使用。在全球成功植入。
阿古斯二世是10多年研发的副产品。图片由Second Sight Medical提供
最近，国际上几所著名大学分别从生物电极、神经元编码及仿生透镜及其低成本商业化努力等多方面研究人工视网膜，发表了基于实验室的技术研究，这些研究部分已在进行人体试验。
人工视网膜的基本原理
要了解人工视网膜的基本原理，首先评估美国唯一的FDA批准（2013年）人工视网膜Second Sight Medical的Argus II的工作原理可能会很有用 。
根据来自基于眼镜的摄像系统的后处理数据生成电脉冲，然后将其施加到已通过手术连接到患者视网膜内部的电极上。
视网膜植入物工作原理的高级示意图。图片由美国能源部提供
瑞士EPFL视网膜植入物电极
近日，瑞士EPFL（洛桑联邦理工学院）的研究人员正在 开发一种由10,500个光点（像素）组成的视网膜植入物，提供具有近43度视场的高分辨率电极阵列（关键指标）。(“前视网膜刺激的虚拟现实仿真凸显了假肢视觉中视角的相关性”，《神经工程杂志》 17（5）：056019。DOI：10.1038 / s43246-021-00133-2)
他们开发的视网膜植入物包含10,500个电极，每个电极都可产生一个光点。”我们不确定这是太多电极还是不足。我们必须找到正确的数字，以使复制的图像不会太难辨认。点必须相隔足够远，以使患者能够区分彼此靠近的两个点，但是必须有足够的点以提供足够的图像分辨率。” Ghezzi说。
工程师还必须确保每个电极都能可靠地产生光点。Ghezzi解释说：”我们想确保两个电极不会刺激视网膜的同一部分。因此，我们进行了电生理测试，涉及记录视网膜神经节细胞的活性。结果证实，每个电极确实确实激活了视网膜的不同部分。”
（a）由EPFL的研究人员设计的高密度假体，其有效工作区域直径为13毫米，包含近（b）10,500个光伏像素。
EPFL工程学院神经工程学（LNE）Medtronic主席迭戈·格兹（Diego Ghezzi）将这一问题作为研究重点。自2015年以来，他和他的团队一直在开发可与配备摄像头的智能眼镜和微型计算机配合使用的视网膜植入物。Ghezzi说：”我们的系统旨在通过使用电极刺激其视网膜细胞，为盲人提供一种人造视觉。”
嵌入在智能眼镜中的摄像头可以在佩戴者的视野中捕获图像，并将数据发送到位于其中一个眼镜头中的微型计算机。微型计算机将数据转换成光信号，然后传输到视网膜植入物中的电极。电极然后以使佩戴者看到图像的简化的黑白版本的方式刺激视网膜。此简化版本由刺激视网膜细胞时出现的光点组成。然而，佩戴者必须学会解释光的许多点，以辨别出形状和物体。”就像看着夜空中的星星一样，您可以学会识别特定的星座。
斯坦福大学致力于视网膜的输出神经元
他们的研发主要重点是神经节细胞，即视网膜的输出神经元，它们在视网膜变性过程中能幸免于难。神经节细胞产生光输入的视觉表示，并将这些编码的表示传送到大脑中的特定目标区域。人体视网膜包含约一百万个神经节细胞，所有视觉体验最终都来自这些细胞传递的信号。通过首先了解许多神经节细胞中的活动模式如何代表视觉场景，可以使用人工植入物来模仿神经视网膜代码。如果准确地再现了视网膜代码，则大脑可以准确地感知到视觉图像。方法有可能产生新一代的电子植入物，以恢复瘫痪，记忆力减退，精神病等疾病的神经元功能。
计算机模拟的特定单元格类型可实现的好处。视觉刺激（左）被线性重建以显示植入物佩戴者（右）所感知的图像。底部显示了当以细胞特异性方式发生刺激时，四种主要神经节细胞类型的活性。
植入系统的示意图设置。使用摄像头传感器捕获光，并通过信号处理器将其转换为电脉冲。与植入物的双向通讯可以使用刺激模式字典对系统进行校准。
香港科技大学：钙钛矿材料的仿生透镜
香港科技大学（HKUST）的研究人员对先前的研究对象采取了截然不同的方法，并生成了由与真实眼睛类似的元素组成的人造仿生眼。
香港科技大学的研究人员认为，这种透镜结构可以使透镜聚焦，因为其圆顶形状与平面传感器（如在相机中）相比，减小了光的扩散效果，就像人眼一样。
2020年五月，《自然》杂志发表了一篇关于香港科技大学电子与计算机工程系对仿生眼研究的评论报告。研究表明，人造仿生的眼睛具有相当的感光体的灵敏度响应于人眼。
(具有半球形钙钛矿纳米线阵列视网膜的仿生眼,Nature,
这种敏感性主要归因于钙钛矿材料的新颖使用，该钙钛矿材料在下一代光电信号中具有良好的性能。
香港科技大学仿生眼概念设计。
镜片固定在”眼球”的孔上，该眼球由前部的金属外壳，后部的人造视网膜和中部的离子液体组成。关键的进步是半球形的视网膜：密集排列的光敏纳米线排列在氧化铝膜的孔中。纳米线模拟生物视网膜中的感光细胞。聚合物插座可固定视网膜，以确保纳米线和背面的液态金属线之间的电接触。液态金属线通过将信号从纳米线传输到外部电路以进行信号处理来模仿神经纤维。
液态金属（共晶镓-铟合金）密封在柔软的橡胶管中制成的细而柔软的导线将信号从纳米线光电传感器传输到外部电路，以进行信号处理。这些电线模仿了将人眼连接到大脑的神经纤维。液态金属线和纳米线之间的铟层改善了两者之间的电接触。人造视网膜通过由硅酮聚合物制成的插座固定在适当的位置，以确保线和纳米线之间的正确对齐。
存在于人工视网膜内部的纳米线充当感光器，以沿着液态金属线（类似于神经纤维）传递信息。在香港科技大学发布的视频中，研究人员展示了仿生眼如何具有光接收能力，即 尽管眼分辨率有限，但仍具有区分笔记本电脑屏幕上存在的字母的令人印象深刻的能力。
人工视网膜应用落地的挑战
克服设计挑战和生物学挑战可能意味着未来，每个人都可以实现功能性愿景。
除了等待人类进行医学试验的漫长时间之外，EPFL的研究还面临着制造问题，即在粘合到半球形形状时像素会破裂。根据研究小组的说法，诸如像素之间的串扰的可能性以及单个像素刺激单个神经节细胞的要求等其他问题也是制约因素。
香港科技大学的团队需要解决几个问题：Gu和他的同事的人工眼的整体性能代表了这种设备的飞跃，但是仍然需要做很多事情。首先，光电传感器阵列目前只有10×10像素，像素之间的间隙大约为200 µm。这意味着光检测区域仅约2mm宽。此外，制造过程涉及一些昂贵且低通量的步骤-例如，一种被称为聚焦离子束蚀刻的昂贵过程被用来准备每个孔以形成纳米线。未来必须开发高通量的制造方法，以大幅度降低成本来生产更大的光电传感器阵列。
其次，为了提高视网膜的分辨率和规模，将需要减小液态金属线的尺寸。导线的外径约为700 µm，但理想情况下应与纳米线的直径相当（几微米）。当前人工视网膜，将液态金属丝的直径减小到该尺寸是具有挑战性的。
第三，需要更多的测试来确定人造视网膜的使用寿命。报告指出，运行9小时后，其性能没有明显降低，但是其他电化学设备的性能会随着时间的流逝而恶化。最后，作者指出，在离子液体的浓度较高时，其设备的响应和恢复时间会缩短，但会以通过液体的光传输为代价。需要进一步优化离子液体组成以解决该问题。
尽管如此，顾和他的同事的工作增加了已在过去几十年中所取得的突破人工视网膜，已通过模仿不仅相机般的大眼睛（如人类）来实现，但也复眼相似那些昆虫。有了这些进步，在接下来的十年中，我们可能会在日常生活中目睹广泛使用人造和仿生眼睛，这似乎是可行的。
模仿眼睛足以代替眼睛吗？
斯坦福大学：5问人工视网膜：
神经节细胞的不同类型编码了视觉的哪些不同方面？
计算模型如何准确模拟这些视网膜信号？
我们如何使用植入物精确靶向单个神经节细胞？
植入物如何识别不同的细胞类型并分别靶向？
我们如何设计能够忠实再现盲人正常视力的植入物？
斯坦福大学研究人员预计，除了恢复视力之外，人造视网膜还将使我们能够以光刺激无法实现的方式将视觉信息传输到大脑。这将打开视觉增强的大门-创造前所未有的视觉感受。我们对视网膜电路及其有效接口的理解将与开发与大脑的其他接口有关，包括治疗疾病和增强人类能力。
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