视觉假体

视觉假体（英文：Visual Prosthesis），是一种旨在为因视网膜或视神经严重损伤而失明的患者恢复部分视觉感知的神经假体系统。它绕过受损的眼部结构，通过电刺激视觉通路中尚存功能的神经元，将外部视觉信息转化为患者大脑可理解的光幻视模式，从而形成一种人工的、有限但实用的“视觉”。

工作原理与通用流程

1. 图像采集： 外部摄像头（通常安装在眼镜上）捕捉场景图像。

2. 图像处理： 处理器将复杂的图像信息简化和编码成适合电刺激的模式。算法至关重要，需提取关键特征（如边缘、对比度），并匹配刺激电极阵列的布局。

3. 刺激信号传递： 编码后的信号通过有线或无线方式传输至植入体内的刺激器。

4. 神经刺激： 刺激器根据信号，控制植入在视觉通路特定位置的微电极阵列，向邻近的神经元施加微电流脉冲。

5. 感知形成： 受刺激的神经元产生神经信号，上传至视觉皮层。患者将这些信号感知为一个个光点，即“光幻视”。通过控制不同电极的刺激，可形成由光点组成的简单图案，患者学习解读这些图案以获取空间和物体信息。

主要类型（根据植入靶点）

1. 视网膜假体

刺激靶点为残留的视网膜神经元。适用于外层视网膜退行性疾病（如视网膜色素变性、老年性黄斑变性），其感光细胞受损，但双极细胞、节细胞相对保留。

• ** epi视网膜假体**：

  • 植入位置： 电极阵列置于视网膜内表面（玻璃体腔侧），刺激视网膜节细胞。

  • 代表设备： Argus II（美国Second Sight公司，首个获FDA/CE批准）。已使部分RP患者获得识别门窗、行走标记、阅读大字母的能力。

  • 优点： 手术相对直接，接近自然信号处理路径。

  • 挑战： 电极与细胞间有内界膜相隔；需要完整的视神经。

• ** sub视网膜假体**：

  • 植入位置： 电极阵列植入视网膜下腔（感光细胞层原位置），旨在直接刺激双极细胞。

  • 代表设备： Alpha AMS/IMS（德国Retina Implant AG公司，获CE批准）。

  • 优点： 更接近自然解剖位置，可能利用残留的视网膜微环路进行初步信号处理。

  • 挑战： 手术更复杂，长期生物相容性和固定是难题。

2. 视神经假体

• 植入位置： 电极袖套或束内电极直接缠绕或插入视神经。

• 适用： 视网膜广泛受损但视神经部分功能保留的患者。

• 优点： 单个植入点可刺激大量纤维。

• 挑战： 拓扑对应关系复杂（视神经内纤维高度有序但紧密排列），难以产生可预测的、空间有序的光幻视；手术风险高。

3. 视皮层假体

直接刺激初级视皮层的神经元。适用于视网膜和视神经均严重损坏的患者（如晚期青光眼、创伤、肿瘤）。

• 表面皮层刺激： 电极格栅置于硬膜下或皮层表面。

  • 挑战： 电流扩散广，分辨率低；需要高强度电流，易引发癫痫。

• 皮层内刺激： 将微电极阵列插入视皮层内。

  • 代表研究： 犹他电极阵列等。可产生更小、更清晰的光点，但侵入性更大，长期稳定性（胶质增生、电极失效）是主要障碍。

  • 优势： 最终备用方案，不依赖眼部和视神经。

• 最新方向： 无线、闭环、高通道数的皮层内系统正在开发中。

技术挑战与局限性

1. 分辨率极低： 目前临床设备电极数仅几十至上百个，产生的“像素”稀疏，远低于自然视力（数百万“像素”）。图像仅为粗糙的轮廓和明暗对比。

2. 视野狭窄： 电极阵列覆盖的视网膜或皮层区域有限。

3. 光幻视特性不稳定： 光点的亮度、大小、形状可能随刺激参数和个体差异变化，且并非总是出现在对应空间位置。

4. 长期安全性与稳定性：

   • 生物相容性： 植入物引起的炎症、纤维化包裹会增大电极阻抗，降低刺激效率。

   • 机械稳定性： 视网膜假体需在动态的眼球中牢固固定。

   • 硬件可靠性： 无线传输、封装完整性、电极材料腐蚀。

5. 复杂的视觉康复训练： 患者需长时间学习解读全新的“电视觉”语言，大脑需要神经可塑性来适应。

未来发展方向

1. 材料与电极技术： 开发更柔软、生物相容性更好、更高密度（千通道级）的电极（如导电聚合物、石墨烯、纳米线）。

2. 智能处理算法： 利用计算机视觉和人工智能，实时提取并向大脑传递最有行为意义的信息（如人脸、障碍物、文字），而非简单像素。

3. 光遗传学视觉修复： 向残留的视网膜细胞导入光敏感蛋白基因，使其直接对光产生反应。这是一种“生物电子”混合策略，理论上分辨率更高，但处于临床早期阶段。

4. 全人工眼： 结合高分辨率传感器、先进材料和无线技术，构建更仿生的植入系统。

5. 多模态感知融合： 结合听觉或触觉反馈，辅助视觉信息的理解。

社会与伦理意义

视觉假体为全盲患者带来了重获独立生活能力的希望（如避障、定向、简单物体识别）。尽管目前效果有限，但它证明了神经接口恢复复杂感官功能的可行性。其发展也引发对增强视觉、神经伦理和医疗资源可及性的思考。

参考文献

1. Weiland, J. D., Humayun, M. S. (2014). Visual prosthesis. Proceedings of the IEEE, 102(7), 1071-1085.

2. Zrenner, E. (2013). Fighting blindness with microelectronics. Science Translational Medicine, 5(210), 210ps16.

3. Lewis, P. M., Ackland, H. M., Lowery, A. J., & Rosenfeld, J. V. (2015). Restoration of vision in blind individuals using bionic devices: a review with a focus on cortical visual prostheses. Brain Research, 1595, 51-73.

4. Fernandez, E., & Normann, R. A. (2015). Taking electrostimulation therapy out of the dark. Science, 347(6222), 490-491.

5. Bloch, E., Luo, Y., & da Cruz, L. (2019). Advances in retinal prosthesis systems. Therapeutic Advances in Ophthalmology, 11, 2515841418817501.

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