仿生眼:计算机模型促进改进

有数百万人因退行性眼病而失去视力。的遗传疾病色素性视网膜炎全球每4000人中就有1人患病。

今天，有技术可以为患有这种综合症的人提供部分视力。Argus II是世界上第一个视网膜假体，它再现了眼睛中对视觉至关重要的部分的某些功能，让用户能够感知运动和形状。

虽然视网膜假体领域仍处于起步阶段，但对于全球数以百计的用户来说，仿生眼“丰富了他们每天与世界互动的方式。”例如，看到物体的轮廓可以让他们在不熟悉的环境中移动，增加安全性。

这仅仅是个开始。研究人员正怀着雄心勃勃的目标，在技术上寻求未来的改进。“我们现在的目标是开发真正模拟视网膜复杂性的系统，”南加州大学凯克医学院和南加州大学维特比工程学院的眼科学和电气工程教务教授、MBA博士Gianluca Lazzi说。

他和他的南加州大学的同事们利用先进的计算机模型研究视网膜的变化，通过最近的两项研究取得了进展。他们的实验验证模型复制了眼睛中数百万神经细胞的形状和位置，以及与它们相关的物理和网络特性。

“我们以前甚至看不到的东西，我们现在可以建模，”Lazzi说，他也是Fred H. Cole工程学教授和南加州大学技术和医疗系统研究所的主任。“我们可以模仿神经系统的行为，这样我们就能真正理解为什么神经系统会这样做。”

研究人员将注意力集中在将视觉信息从眼睛传递到大脑的神经细胞模型上，他们找到了可能增加清晰度和赋予未来视网膜颜色视觉的方法假体设备。

眼睛，仿生学之类的

为了理解计算机模型是如何改进仿生眼的，我们需要了解一下视觉是如何产生的以及假肢是如何工作的。

当光线进入健康的眼睛时，晶状体将光线聚焦到眼睛后部的视网膜上。一种叫做光感受器的细胞将光转化为电脉冲，由视网膜中的其他细胞处理。处理后，信号被传递到神经节细胞，神经节细胞通过被称为轴突的长尾巴将信息从视网膜传递到大脑，轴突被捆绑在一起，构成视神经。

在退行性眼病中，光感受器和处理细胞会死亡。视网膜神经节细胞通常能保持较长时间的功能;阿尔戈斯2号直接向这些细胞传递信号。“在这种不幸的情况下，神经节细胞不再有一组良好的输入，”Lazzi说。“作为工程师，我们会问如何才能提供这种电力输入。”

一名病人接受了一个带有电极阵列的微型眼部植入手术。当一副装有摄像头的特殊眼镜发送信号时，这些电极就会被远程激活。摄像机所探测到的光的模式决定了哪些视网膜神经节细胞被电极激活，并向大脑发送信号，导致大脑感知到由60个点组成的黑白图像。

计算机模型追求新的进步

在某些条件下，植入体中的电极会偶然刺激目标附近细胞的轴突。对于仿生眼的使用者来说，这种对轴突的偏离目标的刺激会导致他们感知到一个拉长的形状，而不是一个点。在《IEEE神经系统与康复工程学报》上发表的一项研究中，Lazzi和他的同事利用计算机模型来解决这个问题。

“你想激活这个细胞，而不是邻近的轴突，”Lazzi说。“所以我们试图设计一种更精确地针对细胞的电刺激波形。”

研究人员使用了两种视网膜神经节细胞亚型的模型，分别在单细胞水平和巨大网络中。他们发现了一种短脉冲模式，这种模式优先针对细胞体，轴突的脱靶激活较少。

另一项最近发表在杂志上的研究科学报告应用相同的计算机建模系统对相同的两种细胞类型进行颜色编码研究。

这项研究建立在早期研究的基础上，研究表明，人们使用Argus II感知颜色的变化，随着电信号频率的变化——信号在给定时间内重复的次数——而变化。利用这个模型，Lazzi和他的同事开发了一种调整信号频率的策略，以创造对蓝色的感知。

除了在仿生眼中添加颜色视觉的可能性外，在未来的发展中，基于该系统的色彩编码还可以与人工智能相结合，从而使人周围环境中的特别重要的元素，如人脸或门道脱颖而出。

“还有很长的路要走，但我们正走在正确的方向上，”Lazzi说。“我们可以赋予这些假肢智慧，知识带来力量。”