类似于太阳能电池板的电池可将视线引向盲人

斯坦福医学院的乔纳森·拉比诺维茨（Jonathan Rabinovitz）

将这种精确大小的光伏芯片（右上角）植入一只盲鼠的视网膜下方，以恢复视力。中心图像显示了芯片是如何由光电二极管阵列组成的，光电二极管阵列可以通过脉冲近红外光激活，以刺激眼睛中的神经信号，然后再传播到大脑。较高的放大倍数视图（左下角显示植入物的单个像素，该像素在周边有三个二极管，在中央有一个电极。二极管将光转换成电流，该电流从芯片流入视网膜细胞的内层。）由Daniel Palanker实验室提供。

斯坦福大学医学院的科学家们通过外科手术将微小的类似于太阳能电池板的细胞放置在视网膜下方，设计出了一种系统，该系统有朝一日可以恢复因某些类型的退化性眼病而失明的人的视力。

这种设备-一种新型的视网膜假体-包括一对经过特殊设计的护目镜，该护目镜配有微型相机和用于处理视觉数据流的袖珍PC。生成的图像将显示在嵌入护目镜的液晶微显示器上，类似于用于游戏的视频护目镜。但是，与普通的视频护目镜不同，图像将使用近红外激光脉冲从LCD投射到植入视网膜下方的光电硅芯片（其细度仅为一束头发的三分之一），从LCD发出。

然后，来自芯片上光电二极管的电流将触发视网膜中的信号，然后信号流至大脑，使患者能够恢复视力。

5月13日在线发表在《自然光子学》上的一项研究表明，科学家如何利用大鼠视网膜在体外评估光电二极管阵列，以及二极管如何产生被广泛认可的视觉活动指标的电响应。科学家们现在正在活体大鼠中测试该系统，同时进行生理和行为测量，并希望找到一个支持者来支持人体测试。

该论文的高级作者，眼科学副教授丹尼尔·帕兰克（Daniel Palanker）博士说：“它的工作就像屋顶上的太阳能电池板一样，将光转换为电流。”“但是，电流不会流入冰箱，而是流入视网膜。”Palanker还是斯坦福大学汉森实验物理实验室的成员，也是斯坦福大学跨学科研究计划Bio-X的成员。该研究的共同第一作者是帕兰克实验室的访问学者Keith Mathieson博士和博士后学者James Loudin。Palanker和Loudin共同构思并设计了假体系统和光伏阵列。

还有其他几种视网膜假体正在开发中，其中至少有两个正在临床试验中。由洛杉矶公司Second Sight制造的设备已于4月获准在欧洲使用，另一家假体制造商德国公司Retina Implant AG在本月初宣布了其在欧洲的临床测试结果。

与这些其他设备（需要眼内的线圈，电缆或天线向视网膜植入物提供能量和信息）不同，斯坦福设备使用近红外光来传输图像，从而避免了对电线和电缆的任何需要，从而使该设备成为现实。薄且易于植入。

“目前的植入物非常笨重，并且难以放置用于接收，处理和供电的眼内布线的手术，” Palanker说。他指出，由他的团队开发的设备实际上将所有硬件都外部集成到了护目镜中。“外科医生只需要在视网膜下方创建一个小袋，然后将光伏电池滑入其中即可。”他补充说，此外，人们可以将这些光伏电池平铺在眼内，从而提供比其他系统更广阔的视野。

丹尼尔·帕兰克

斯坦福大学拥有该系统中使用的两项技术的专利，Palanker及其同事将获得这些专利的许可使用费。

拟议的假体旨在帮助患有视网膜退行性疾病的人，例如与年龄有关的黄斑变性和色素性视网膜炎。根据非营利组织Foundation Fighting Blindness的说法，前者是导致北美视力丧失的最主要原因，而后者则导致全世界约有150万人失明。在这些疾病中，视网膜的感光细胞缓慢退化，最终导致失明。但是，通常从感光器向大脑传输信号的内部视网膜神经元基本上没有受到伤害。视网膜假体基于以下想法：还有其他刺激这些神经元的方法。

斯坦福大学的设备使用近红外光，其波长比正常的可见光更长。之所以必须使用这种方法，是因为视网膜退行性疾病致盲的人们仍然具有感光细胞，它们对可见光仍然敏感。“要使这项工作有效，我们必须提供比正常视觉所需的更多的光线，” Palanker说。“而且，如果我们使用可见光，它将非常痛苦。”他说，肉眼看不到近红外光，尽管植入该假体系统一部分的二极管是“可见”的。

帕兰克（Palanker）通过将眼睛与摄像头进行比较来解释他的工作，摄像头中的视网膜是胶片或数字芯片，而每个感光器都是一个像素。他说：“在我们的模型中，我们用光敏二极管代替了那些感光器。”“每个像素都像一个小的太阳能电池；您发出光，然后得到电流，并且该电流刺激视网膜内核层的神经元。”反过来，它应该具有级联作用，激活视网膜外层的神经节细胞，这些神经节细胞将视觉信息发送到大脑，使我们能够看到。

在这项研究中，Palanker和他的团队制造了一个大约铅笔尖大小的芯片，其中包含数百个此类光敏二极管。为了测试这些芯片的反应，研究人员使用了正常大鼠和盲人视网膜的视网膜作为视网膜变性疾病的模型。科学家在视网膜下方放置了一个光电二极管阵列，并在神经节细胞层上方放置了一个多电极阵列，以评估它们的活性。然后，科学家发送正常和近红外光脉冲，以在光电二极管中产生电流，并测量视网膜外层的响应。

在正常大鼠中，神经节如预期那样受到正常可见光的刺激，但它们也对近红外光表现出类似的反应：这证实了二极管正在触发神经活动。

在退化的大鼠视网膜中，正常的光几乎没有引起反应，但是近红外光引起了强烈的活动性峰值，大致与正常的大鼠视网膜中的峰值相似。“他们对普通光没有反应，但是对红外光有反应，”帕兰克说。“通过这种方式，我们的系统就可以恢复视力。”他指出，退化的大鼠视网膜需要更多量的近红外光才能达到与正常大鼠视网膜相同的活动水平。

尽管有人担心暴露于这种剂量的近红外光可能会导致组织变热，但研究发现，辐照仍然是既定的眼部安全极限的一百分之一。

自完成研究以来，Palanker和他的同事们将光电二极管植入大鼠的眼睛，并在最近六个月内观察并测量了它们的效果。他说，初步数据表明，视觉信号已经到达正常和盲鼠的大脑，尽管这项研究仍在进行中。

虽然这种设备和其他设备可以帮助人们重新获得视力，但当前的技术无法使人们看到颜色，因此产生的视力与正常人相去甚远。

参与这项研究的Palanker实验室的其他成员是研究生Georges Goetz，David Boinagrov和Lele Wang；资深研究员Philip Huie；研究助理路德维希·加兰博斯（Ludwig Galambos）和苏珊娜·潘格拉兹（Susanne Pangratz-Fuehrer）博士；和博士后学者Yossi Mandel，医学博士，以及Daniel Lavinsky，医学博士。此外，电气工程顾问教授Theodore Kamins博士和工程学院教授James Harris也是合著者。该团队还与加州大学圣克鲁斯分校的圣克鲁斯粒子物理研究所的科学家合作。

资金由美国国立卫生研究院，空军科学研究所和斯坦福大学的Bio-X计划提供。有关斯坦福大学眼科的信息（也支持该研究），请访问http://ophthalmology.stanford.edu/。