數(shù)十年來，全球科學(xué)家都在努力攻克視覺修復(fù)的世界性難題，雖然取得了一定成效，但離復(fù)明的目標(biāo)仍是長路漫漫。今年，中國的科研團(tuán)隊(duì)發(fā)布了一項(xiàng)研究成果，為復(fù)明治療提供了一種更方便、更高效的解決方案。
紹芯實(shí)驗(yàn)室、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)，聯(lián)合復(fù)旦大學(xué)腦科學(xué)研究院張嘉漪/顏彪團(tuán)隊(duì)和中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所胡偉達(dá)團(tuán)隊(duì)，用7年時(shí)間研發(fā)出全球首款光譜覆蓋范圍極廣（從可見光延伸至近紅外二區(qū)）的視覺假體。
只需在眼底植入一塊極細(xì)小的芯片（視覺假體），在不需外部設(shè)備的情況下就能使失明動(dòng)物恢復(fù)可見光視覺能力，還能賦予感知紅外光的“超視覺”功能。相關(guān)成果以題為《碲納米線視網(wǎng)膜假體增強(qiáng)失明視覺》的論文發(fā)表在國際頂尖期刊《科學(xué)》上，引起廣泛關(guān)注。
這套方案如何讓盲人重獲光明，何時(shí)能投入臨床應(yīng)用，人類真的可以像科幻片中一樣擁有裸眼“超視覺”嗎？日前，記者帶著這些疑問走進(jìn)復(fù)旦大學(xué)，與該項(xiàng)目的研發(fā)團(tuán)隊(duì)好好聊了聊。
碲納米材料視覺假體實(shí)物樣品。 受訪者供圖
創(chuàng)造奇跡，從重獲光明到突破極限
讓盲人重獲光明，同時(shí)成為能感知紅外光的“視覺超人”，聽上去有點(diǎn)天方夜譚，卻已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)中創(chuàng)造了驚喜。
在復(fù)旦大學(xué)集成芯片與系統(tǒng)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，我們見到了論文第一作者兼通訊作者，復(fù)旦大學(xué)集成電路與微納電子創(chuàng)新學(xué)院博士生導(dǎo)師王水源。這位紹興越城籍90后，已在芯片領(lǐng)域深耕多年，入選過國家高層次青年人才計(jì)劃，獲得了上海市超級(jí)博士后、復(fù)旦大學(xué)“學(xué)術(shù)之星”等諸多榮譽(yù)。
話題剛開啟，王水源便給我們做了一次小科普。
人類之所以能看到五彩世界，首先是視網(wǎng)膜上的感光細(xì)胞捕捉到可見光，視覺系統(tǒng)將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，再傳輸?shù)酱竽X形成視覺感知。絕大部分失明患者的問題就出在感光細(xì)胞失靈，從而導(dǎo)致視覺通路“斷路”。
事實(shí)上，人類眼球能捕捉到的可見光本身十分狹窄（波長在380-780nm）。數(shù)據(jù)顯示，目前全球有超2億人因視網(wǎng)膜感光層病變或退化，被剝奪了這有限的光明。
“我們研發(fā)的視覺假體就是仿生的‘人工感光層’，植入視網(wǎng)膜后可替代失效的感光細(xì)胞捕捉光線，打通視覺通路的‘斷點(diǎn)’。”王水源解釋。
原理并不復(fù)雜，此前也已有相關(guān)探索并取得了進(jìn)展。
如美國斯坦福醫(yī)學(xué)院主導(dǎo)研發(fā)的“微型芯片+智能眼鏡”PRIMA視網(wǎng)膜植入系統(tǒng)，讓20多名患者重新獲得了閱讀和識(shí)別形狀的能力，邁出了盲人從“感覺有光”到“看清東西”的歷史性一步。
馬斯克旗下公司Neuralink研發(fā)的“盲視”腦機(jī)接口技術(shù)，已獲得在人類身上做實(shí)驗(yàn)的資格。這套系統(tǒng)選擇直接在大腦視覺皮層植入芯片，繞過損壞的眼睛和視神經(jīng)讓大腦重新“看見”。
但這些成果目前都存在共同的缺陷。一是需要外接電源和一套外戴設(shè)備輔助，維護(hù)保養(yǎng)都是麻煩事；二是視覺恢復(fù)的質(zhì)量不高。
相較之下，復(fù)旦大學(xué)團(tuán)隊(duì)的解決方案更具優(yōu)勢(shì)。“最關(guān)鍵在于我們找到了目前最適合的芯片材料——碲。”王水源說，團(tuán)隊(duì)通過進(jìn)一步優(yōu)化研制出碲納米材料，實(shí)現(xiàn)了當(dāng)前已知二維半導(dǎo)體體系中最高的光電流密度輸出。
同時(shí)，碲納米材料作為一種窄帶隙半導(dǎo)體材料，達(dá)到目前國際上最廣譜的視覺光感重建波段，范圍可橫跨可見光至近紅外二區(qū)（波長1550nm），突破了人類天然視覺的物理極限，可精準(zhǔn)感知紅外光。換句話說，用上這款視覺假體，就像戴上了一個(gè)紅外成像儀，能在黑暗中看清物體。
最重要的是，在植入碲納米材料制成的芯片后，在光照條件下，視網(wǎng)膜殘存神經(jīng)元可以即時(shí)被芯片激活，未來患者無需依賴外部裝置，僅需接受一次微創(chuàng)、可逆的視網(wǎng)膜下植入手術(shù)，就能實(shí)現(xiàn)“仿生修復(fù)”與“功能拓展”雙重特性。
為了驗(yàn)證這些優(yōu)點(diǎn)，研發(fā)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了大量的生物實(shí)驗(yàn)。
負(fù)責(zé)生物實(shí)驗(yàn)的復(fù)旦大學(xué)腦科學(xué)研究院張嘉漪團(tuán)隊(duì)在失明小鼠的視網(wǎng)膜中植入了0.8*1mm的芯片，在不同強(qiáng)度的光照下，小鼠瞳孔呈現(xiàn)出不同程度的收縮，證明其能感知到光。
此后，團(tuán)隊(duì)又對(duì)小鼠視覺進(jìn)行介導(dǎo)的聯(lián)合性學(xué)習(xí)訓(xùn)練，證明小鼠不僅能恢復(fù)光感，還能看到具體的畫面。
“我們給35只盲眼的小鼠做了材料植入，其中28只展現(xiàn)出顯著的視覺功能提升。”張嘉漪團(tuán)隊(duì)博士生姜承勇表示，小鼠瞳孔和視覺誘發(fā)腦電波都表示這些小鼠能看到光，而且是足以幫助其辨別圖形的光。
此外，研究團(tuán)隊(duì)還給一只視覺正常的食蟹猴做了植入手術(shù)，從猴眼視網(wǎng)膜電圖顯示明確的特征波來看，紅外光信號(hào)被成功轉(zhuǎn)化為生物電信號(hào)，讓猴子看到了原本看不到的紅外光。
碲納米材料視覺假體修復(fù)和增強(qiáng)盲人視覺示意圖及作用機(jī)制。 受訪者供圖
鍥而不舍，尋尋覓覓終遇真“碲”
用電子科學(xué)的手段破解生物醫(yī)學(xué)的難題，這是一枚學(xué)科交叉融合模式下結(jié)出的碩果。
王水源還記得7年前，他所在的團(tuán)隊(duì)正在研發(fā)感知、存儲(chǔ)、運(yùn)算一體化的單器件，試圖破解現(xiàn)有電子設(shè)備感、存、算分離而導(dǎo)致系統(tǒng)能耗過高、無法突破運(yùn)算極限的痛點(diǎn)。“我們的靈感正是來自人類的視覺系統(tǒng)。”王水源說。
而復(fù)旦大學(xué)腦科學(xué)研究院張嘉漪研究員擁有物理學(xué)與神經(jīng)生物學(xué)的交叉學(xué)科背景，她敏銳地觀察到物理學(xué)中光電元件的特性與生物的感光功能存在諸多相似之處，由此萌生了一個(gè)關(guān)鍵預(yù)想：能否利用人工材料來實(shí)現(xiàn)生物感光的作用？
兩個(gè)團(tuán)隊(duì)在一次學(xué)術(shù)交流中來了一場(chǎng)頭腦風(fēng)暴，由此開啟了一場(chǎng)雙向奔赴的科研之旅。
王水源告訴記者，項(xiàng)目啟動(dòng)時(shí)合作團(tuán)隊(duì)就鎖定了“視覺修復(fù)+紅外感知”的目標(biāo)。擺在研究團(tuán)隊(duì)面前的第一個(gè)問題，就是尋找最合適的視覺假體材料。“既要能高效激活眼底神經(jīng)細(xì)胞，又需要它有寬波段的光響應(yīng)，這兩者恰是矛盾的。”王水源說。
沒有太多經(jīng)驗(yàn)可以借鑒，王水源就帶著研發(fā)團(tuán)隊(duì)將能想到的材料試了個(gè)遍。“每種材料分幾個(gè)批次，每個(gè)批次的測(cè)試時(shí)間為一到兩周。”王水源說，他們已經(jīng)記不清試了多少種材料、做了多少次實(shí)驗(yàn)。
做實(shí)驗(yàn)是漫長且枯燥的，失敗更是家常便飯。不少研究生直到畢業(yè)仍未完成課題，將接力棒交到學(xué)弟學(xué)妹手中，也有研究生因“看不到希望”而選擇退出。
鍥而不舍的堅(jiān)持和努力，終于迎來轉(zhuǎn)機(jī)。
研究團(tuán)隊(duì)從一名與中國科學(xué)院聯(lián)培的博士生口中得知，中國科學(xué)院剛合成了一種光電響應(yīng)特別強(qiáng)的材料——碲。他們迫不及待地拿來這一新材料，經(jīng)過前期測(cè)試，發(fā)現(xiàn)基本符合實(shí)驗(yàn)要求。
整個(gè)團(tuán)隊(duì)都興奮了。大家一鼓作氣，對(duì)碲進(jìn)行了進(jìn)一步改造和優(yōu)化，接近理想的植入材料終于誕生了。
據(jù)介紹，復(fù)旦大學(xué)和合作團(tuán)隊(duì)改良的碲納米材料，實(shí)現(xiàn)了目前國際上最廣譜的視覺光感重建，光電流強(qiáng)度也提升了數(shù)倍，達(dá)到了有效激活神經(jīng)細(xì)胞的強(qiáng)度。
王水源說，他在家里的工作臺(tái)上還保留著一小塊碲納米材料，留作紀(jì)念。
尋找真“碲”，只是整個(gè)研究過程中突破的第一道重要關(guān)口，接下來則是生物實(shí)驗(yàn)的挑戰(zhàn)。
比如對(duì)小鼠開展行為訓(xùn)練，需要周而復(fù)始才能保證小鼠行為的準(zhǔn)確。“如果幾天不訓(xùn)，小鼠基本上就忘掉了訓(xùn)練內(nèi)容。”姜承勇說，連續(xù)兩個(gè)春節(jié)，項(xiàng)目的所有合作伙伴都是在實(shí)驗(yàn)室里度過的。
未來可期，希望之光就在前方
“既然能讓動(dòng)物‘重見光明’，那什么時(shí)候可以進(jìn)入臨床應(yīng)用？”我們迫不及待地追問。
王水源定了定神，并沒有直接回答，而是給我們講了一個(gè)故事。
論文發(fā)表后不到一周，王水源收到一封信。展開信紙，一行行歪歪扭扭的字跡映入眼簾，來信者是一位80多歲的失明老人。
這封手寫盲文信中說：“我愿意你和團(tuán)隊(duì)把我的眼睛當(dāng)作試驗(yàn)，如果我能成功，能看書報(bào)，我將重獲新生，以后可繼續(xù)文化養(yǎng)老，幸福地歡度夕陽（晚年）生活……”稀稀朗朗四頁書信中，老人反復(fù)表示希望參加試驗(yàn)，期盼早日復(fù)明。
“老人的心愿讓我久久難以平靜。望著書桌上那枚芯片，更明白了作為一名科技工作者肩上的責(zé)任。”王水源說，他非常理解老人的心情，但要將實(shí)驗(yàn)室成果推向臨床試驗(yàn)，仍有很長一段路要走。
首先要解決的是安全性問題。雖然目前植入假體的小鼠和猴子都未出現(xiàn)排異現(xiàn)象，但測(cè)試時(shí)間越長，意味著安全性、可靠性和后續(xù)推向臨床的可行性更高。接下來，要提升生物實(shí)驗(yàn)體看到事物的分辨率和精度，假體材料優(yōu)化迭代的測(cè)試還得繼續(xù)。
“盡管現(xiàn)有的假體在猴眼中工作良好，但人類視網(wǎng)膜相比于猴眼面積更大、曲率更復(fù)雜，如何大規(guī)模制備性能均一且生物安全的視覺假體，仍需進(jìn)一步突破。”王水源說。
也就是說，未來還需要很長一段時(shí)間，在生物相容性與穩(wěn)定性、神經(jīng)信號(hào)耦合效率及臨床轉(zhuǎn)化等方面進(jìn)行突破。
對(duì)于失明患者來說，復(fù)明的期待仍需時(shí)日，但希望的曙光已經(jīng)照進(jìn)現(xiàn)實(shí)。
此外，開發(fā)具有紅外感知能力的視覺假體，也具有巨大的潛在價(jià)值。紅外光在夜間、煙霧或霧霾等能見度極低的環(huán)境中具備更強(qiáng)的穿透性，意味著在這些場(chǎng)景中，人類的空間感知、避障和導(dǎo)航能力將顯著提升，為行動(dòng)輔助、夜間救援、消防救火等帶來了更多可能性。
值得一提的是，由復(fù)旦大學(xué)和紹興市越城區(qū)政府共建的紹芯實(shí)驗(yàn)室給予了研究很大幫助，王水源也對(duì)家鄉(xiāng)表達(dá)了感謝。越城區(qū)近年來打造了完備的集成電路產(chǎn)業(yè)，未來有希望將實(shí)驗(yàn)室成果就地實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，推動(dòng)科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新的深度融合。
