人工视觉

人工视觉
Artificial Vision (Visual Prosthesis / Bionic Eye)

概述（Overview）
人工视觉，亦称视觉假体或仿生眼，是指通过生物医学工程技术，将电子设备与神经系统相结合，旨在为因视网膜或视神经疾病而致盲的患者部分恢复视觉感知的跨学科领域。它不直接治愈疾病，而是通过电刺激残存的、尚存功能的视觉通路神经元（如视网膜神经元、视神经或视觉皮层），绕过受损部位，产生光幻视，让大脑解读为有意义的视觉信息。

基本原理（Basic Principle）
人工视觉系统通常包括三个核心部分：

1. 外部设备：

   • 图像采集： 通常是一个安装在眼镜上的微型摄像头，捕捉外部视觉场景。

   • 图像处理： 一个微型计算机（通常佩戴于体外）将摄像头采集的复杂图像信息，转化为适合刺激神经元的简化电信号模式（如提取边缘、识别物体、降低分辨率）。

2. 信号传递与能量供应：

   • 将处理后的电信号和能量无线传输至植入体内的部件。

3. 植入体与神经接口：

   • 包含电极阵列，将其植入视觉通路的关键位置（靶点），并根据指令向邻近的神经元释放微电流脉冲，使其产生动作电位。

主要技术路线（按植入靶点分类）
根据神经接口植入的位置，主要分为三种策略：

1. 视网膜假体

• 原理： 直接刺激视网膜内残存的神经节细胞或双极细胞，利用患者自身完好的视神经和中枢通路传递信号。

• 适用人群： 外层视网膜退化性疾病患者，如视网膜色素变性、年龄相关性黄斑变性（晚期），其感光细胞（视锥/视杆细胞）受损，但内层视网膜神经元相对完好。

• 亚型：

  • 视网膜下假体： 电极阵列植入于视网膜色素上皮层与感光细胞层之间（即视网膜下腔），旨在替代感光细胞的功能。刺激双极细胞。

  • 视网膜上假体： 电极阵列植入于视网膜内表面与玻璃体之间，直接刺激神经节细胞。

• 优缺点：

  • 优点： 利用天然视觉通路，相对生理。

  • 挑战： 要求视网膜内层神经元和视神经功能完好；植入手术复杂；长期生物相容性。

2. 视神经假体

• 原理： 通过袖套式电极阵列或微电极束直接刺激视神经。

• 适用人群： 视网膜广泛受损，但视神经完好的患者。

• 优缺点：

  • 优点： 单一接口，不受视网膜局部病变影响。

  • 挑战： 难以实现精细的空间映射（因不同位置的神经纤维在视神经中高度混合）；可能引起全视野闪烁。

3. 皮层视觉假体

• 原理： 直接刺激初级视皮层的神经元，绕过眼睛和视神经。这是终极方案。

• 适用人群： 全盲患者，包括视网膜和视神经均严重受损者（如青光眼晚期、外伤性视神经病变、双眼摘除等）。

• 亚型：

  • 表面电极： 置于硬脑膜外或软脑膜表面，安全性高，但空间分辨率低。

  • 皮层内微电极阵列： 刺入皮层组织，可刺激更小的神经元群，分辨率理论上最高，但侵入性大，长期稳定性面临胶质包裹等挑战。

• 优缺点：

  • 优点： 适用于最广泛的致盲病因。

  • 挑战： 技术最复杂；需要开颅手术；对大脑的安全性要求极高；V1的拓扑映射复杂。

当前主要产品与临床进展

1. Argus II （第二代视网膜上系统）：

   • 首个获得FDA、CE等监管机构批准的视网膜假体。包含60个电极，已帮助全球数百名RP患者恢复部分视觉，如识别门窗、人行道、辨识大字体等。

2. Alpha AMS / IRIS II （视网膜下系统）：

   • 欧洲研发，植入视网膜下，电极数量更多（如Alpha AMS约1600个像素点），旨在提供更高分辨率。

3. Orion （皮层视觉假体）：

   • 基于犹他电极阵列，已开始早期临床试验，直接刺激V1，为全盲患者带来希望。

人工视觉感知的特点
患者报告所“看到”的并非正常图像，而是光幻视：

• 形状： 通常被描述为光点、斑块或短线。

• 亮度/颜色： 多为白色、黄色或蓝绿色。颜色感知不稳定。

• 分辨率低： 目前最先进的系统也只能提供几十到几百个独立的“像素点”，远低于正常视力。患者需经过长期训练，学习解读这些光点模式的意义。

• 功能意义： 主要辅助定向与移动、物体探测、粗大形状识别，而非阅读或识别人脸。

核心技术挑战

1. 分辨率瓶颈：

   • 电极密度与串扰： 提高电极密度以增加“像素”，但过密的电极会导致电流扩散，刺激大片神经元，降低空间分辨率。

   • 神经元的空间选择性： 需要更小的电极和更精准的刺激策略（如光遗传学辅助）来激活更小的神经元集群。

2. 长期稳定性与生物相容性：

   • 植入物可能引起组织反应、纤维化包裹，导致电极阻抗升高，信号衰减。

   • 材料需在潮湿、有盐的生理环境中稳定工作数十年。

3. 能量供应： 需要安全、高效的无线能量传输系统。

4. 视觉信息编码策略：

   • 如何将复杂的外部世界信息高效编码成有限个电极的刺激模式，以传递最大化的有用信息（如动态刺激模式、模拟神经发放时序）。

5. 大脑可塑性： 需要大脑学习和适应这种全新的、非自然的输入信号，这既是挑战也是机会。

未来发展方向

1. 高密度柔性电极阵列： 使用柔性材料，更贴合组织，减少损伤，增加通道数。

2. 材料科学突破： 如导电聚合物、碳纳米管等新材料。

3. 闭环系统： 集成神经记录功能，根据大脑的实时反馈调整刺激参数，实现更智能的交互。

4. 光遗传学视觉修复：

   • 用基因疗法使残存的视网膜神经元表达光敏感通道蛋白。患者只需佩戴特殊光投影仪（将图像转化为特定波长的光模式），即可直接激活这些神经元。理论上分辨率更高，且无需植入电极阵列，但仍处于临床前研究阶段。

5. 跨学科融合： 结合人工智能（实时场景理解与信息提取）、脑机接口和神经科学的进步。

伦理与社会考量

1. 风险-受益比： 侵入性手术的风险与有限的视觉恢复程度之间的权衡。

2. 患者期望管理： 需明确告知，人工视觉是“视觉替代”而非“视力恢复”。

3. 可及性与成本： 目前技术极其昂贵，如何使其惠及更多患者。

4. 身份与感知改变： 可能改变患者对自我和世界的感知。

参考文献（References）

1. Weiland, J. D., & Humayun, M. S. (2014). Visual prosthesis. Proceedings of the IEEE, 102(7), 1071-1085. （视觉假体领域的权威综述）

2. Zrenner, E., et al. (2011). Subretinal electronic chips allow blind patients to read letters and combine them to words. Proceedings of the Royal Society B, 278(1711), 1489-1497. （视网膜下假体的突破性临床报告）

3. Fernández, E., et al. (2021). Visual percepts evoked with an intracortical 96-channel microelectrode array inserted in human visual cortex. Journal of Clinical Investigation, 131(23). （皮层内假体的人体试验重要进展）

4. Sahel, J. A., et al. (2021). Partial recovery of visual function in a blind patient after optogenetic therapy. Nature Medicine, 27(7), 1223-1229. （光遗传学视觉修复的首个人体病例报告，里程碑意义）

5. 《Nature Reviews Neuroscience》、《Neuron》 等期刊上的相关专题与综述。

总结
人工视觉是神经工程学和再生医学领域最具雄心的挑战之一。它代表着人类不仅试图理解大脑，更开始尝试直接与感觉皮层对话，以技术弥补自然的缺失。尽管目前的技术仍处于“低分辨率”的初级阶段，但它已经为无数盲人带来了独立行动和与环境交互的新希望。未来的发展将依赖于电极技术、材料科学、神经编码理论和脑机接口算法的协同突破。从视网膜到皮层的多路径探索，以及光遗传学等新技术的涌现，预示着这一领域正朝着更高分辨率、更少侵入性、更智能化的方向加速迈进。人工视觉的终极梦想，不仅是让盲人“看见”，更是重新定义人类感知能力的边界。