Credit: Pixabay/ CC0公共领域有数百万人面临着退化性眼病导致的视力丧失。仅色素性视网膜炎这种遗传疾病就影响了全球4000人中的1人。今天，有技术可以为患有这种综合征的人提供部分视力。阿格斯二世是世界上第一个视网膜假体，它再现了眼睛视觉所必需的部分功能，让用户能够感知运动和形状。
尽管视网膜假体领域仍处于起步阶段，但对于全球数百名用户来说，“仿生眼”丰富了他们日常与世界互动的方式。例如，看到物体的轮廓使他们能够在不熟悉的环境中移动，安全性更高。
这只是开始。研究人员考虑到一个雄心勃勃的目标，正在寻求这项技术的未来改进。
南加州大学凯克医学院和南加州大学维特比工程学院眼科和电气工程教务长教授吉安卢卡·拉齐说:“我们现在的目标是开发真正模拟视网膜复杂性的系统。
他和南加州大学的同事们利用一种先进的计算机模型对视网膜中发生的事情进行了两项最新研究，从而取得了进展。他们经过实验验证的模型再现了眼睛中数百万个神经细胞的形状和位置，以及与之相关的物理和网络特性。
“以前我们甚至看不到的东西，现在我们可以建模了，”Lazzi说，他也是Fred H. Cole工程教授和南加州大学技术和医疗系统研究所所长。“我们可以模仿神经系统的行为，因此我们可以真正理解为什么神经系统会做它所做的事情。”
研究人员专注于将视觉信息从眼睛传输到大脑的神经细胞模型，找到了潜在的提高清晰度的方法，并为未来的视网膜修复设备提供了色觉。
眼睛，仿生的和其他的
为了理解计算机模型如何改进仿生眼，稍微了解一下视觉是如何发生的以及假肢是如何工作的会有所帮助。
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。被称为感光细胞的细胞将光转化为电脉冲，由视网膜中的其他细胞处理。经过处理后，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，轴突被捆绑在一起组成视神经。
退化性眼病的感光细胞和加工细胞会死亡。视网膜神经节细胞通常保持功能的时间更长；阿格斯二世直接向这些细胞传递信号。
Lazzi说:“在这些不幸的情况下，神经节细胞不再有一组好的输入。"作为工程师，我们会问如何提供这种电气输入."
患者接受一个带有电极阵列的微型眼睛植入物。当一副装有摄像头的特殊眼镜发出信号时，这些电极就会被远程激活。相机检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，向大脑发送信号，从而感知到由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，植入物中的电极会偶然刺激邻近其目标的细胞轴突。对于仿生眼的使用者来说，轴突的这种非目标刺激导致了对细长形状而不是点的感知。在IEEE神经系统和康复工程杂志上发表的一项研究中，Lazzi和他的同事部署了计算机模型来解决这个问题。
“你想激活这个细胞，但不是邻近的轴突，”Lazzi说。"因此，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，一种在单细胞水平，另一种在巨大的网络中。他们确定了一种优先靶向细胞体的短脉冲模式，轴突的非靶向激活较少。
《科学报告》杂志最近的另一项研究将相同的计算机建模系统应用于相同的两种细胞亚型，以研究如何编码颜色。
这项研究建立在早期研究的基础上，研究表明，使用阿格斯II的人会随着电信号频率的变化而感知颜色的变化——电信号在给定时间内重复的次数。利用这一模型，Lazzi和他的同事开发了一种调整信号频率的策略，以创建对蓝色的感知。
除了给仿生眼增加颜色视觉的可能性之外，在基于该系统的未来发展中，用色调编码可以与人工智能相结合，从而使人周围环境中特别重要的元素，如面部或门口，脱颖而出。
“路很长，但我们走的方向是对的，”Lazzi说。"我们可以赋予这些假肢智慧，知识带来力量."
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