給眼睛裝上太陽能，是不是就能讓人間光明永駐？_風聞

造就第347位講者 張嘉漪

復旦大學腦科學研究院研究員

醫學神經生物學國家重點實驗室副主任

編者按：

對於能夠看到這篇文章的每個人來説，這個演講其實跟你毫無關係。

它在探討一個幫助因光感受器退化致盲的患者重見光明的可能性。

但我們希望讓大家知道的是，雖然關於生命仍有無數等待解答的謎題，所幸，再小的羣體，也有人關注，科學從未停止探索的腳步。

大家好，我是復旦大學腦科學研究院的張嘉漪。今天想和大家分享的是我們嘗試用納米科技幫助失明患者重見光明的探索。

人的眼睛就像一台精妙的攝像機。可見光通過晶狀體進入我們的眼球，聚焦到眼球底部的視網膜，被光感受器轉換成生物電信號，神經節細胞把電信號傳遞到大腦中樞，經過相應腦區的解析處理，就形成了視覺信息。

視覺是生物最重要的感覺器官

當今的科技已經創造出了能夠精確探測宇宙微光的機器視覺，但它們和生物視覺最大的區別是，機器視覺只能獲取信號，而生物視覺和大腦中樞相連，因此身體能對視覺信息作出反應。

機器視覺VS生物視覺

我們人類每天接收到的外界信息大約70%來自視覺。

不幸的是，全世界視覺損傷的人口大約有1.6億，在中國，有500萬人喪失視覺，完全生活在黑暗之中。其中，光感受器退化是一個非常重要的致盲原因。

受到這個病影響的主要有兩個羣體。多發於青少年的遺傳性光感受器退化叫視網膜色素變性，很多孩子在確診之後，視力在十幾年間逐漸衰弱直至失明；而多發於老年人的退行性光感受器退化叫黃斑變性，黃斑是視網膜中光感受器密度最高的區域，它的存在能夠幫助我們看清楚事物細節。當它退化之後，人就會逐漸看不清東西。

光感受器退化的前後對比

因為視力減弱的過程是不可逆的，所以到目前為止，由光感受器退化引起的失明還沒有能夠完全治癒的手段。

01前沿探索

當下針對視網膜色素變性的治療方式是基因治療。但是，因為它需要通過病毒和其它生物媒介來改變眼球中的基因表達，存在一定的生物安全隱患。

第二個方法是幹細胞療法。幹細胞具有增殖和分化功能，我們可以在實驗室的環境下誘導它分化成光感受器，把光感受器植入到病人眼底，促使他的眼睛恢復光感受功能。但是幹細胞的增殖分化如果控制得不好，它很有可能會一直增殖分化下去，最終轉變成癌組織，所以這個方法存在癌變的危險。

因為我自己本身有物理學的背景，所以我就在想，有沒有可能用人工的感光材料來解決這個光感受器退化的問題呢？這個設想就是我們這項研究的起點。

人造感光器件有很多種，大家比較熟悉的就是太陽能電池。首先，它有很好的光電轉換效率；其次，它基本覆蓋整個可見光光譜，包括了紅外區域。

受此啓發，我們在實驗室裏製備出了金修飾二氧化鈦納米線。它不僅和人類視網膜光感受器形態相近，最關鍵的在於，它具有很強的可見光光電流，能夠有效地把光轉換成電，刺激視網膜裏的細胞。

通過模式動物的方法，我們又在實驗室裏構建了一個光感受器退化的盲小鼠，對這種納米線進行光感受測試。

02模式動物實驗

在離體實驗中，我們首先需要確認納米線能否讓視網膜裏的單個神經元產生光感。

我們是用1個微米大小的尖端玻璃電極把納米線前置到盲小鼠的視網膜上。這其實不是一件容易的事情，因為單個神經元的尺度大概是10個微米，我們一根頭髮大概100個微米粗，也就是説一個神經元的大約是1/10根頭髮絲的粗細！實驗表明，裝置了納米線的盲小鼠神經元好像對紫、藍、綠這三種顏色的光都有反應。

這個視頻就是實驗室裏記錄到的單個神經元興奮的時候產生的動作電位，你會看到很多小尖峯，每一個尖峯代表這個細胞興奮一次。在給光的情況下可以看到，它對於這三種光都有響應。

其次，我們還需要確認這個視網膜能夠看到多亮的光。實驗中，我們發現，在正常的日光燈照明條件下，它對光的敏感度也接近正常小鼠。

除了看得見，重要的是還得看得清。我們在顯微鏡下，分別給予這個視網膜50微米和100微米大小的兩個光斑，發現對於這麼小的照射，它也依然能有不錯的光反應，説明這個納米線也許真的是一個可行的技術。

前期的視網膜離體測試給了我們很好的信心，接下來我們就把這個材料正式植入盲小鼠的眼底，檢驗它是否真的有用。

因為我們沒辦法從小鼠的口裏知道它到底看沒看到光，要想知道它是不是真的恢復了視力，就需要通過瞳孔反射來驗證。

瞳孔反射就是當我們的眼睛從暗的環境轉移到亮的環境時，外界環境光加強使瞳孔自然產生收縮。

令人興奮的是，我們在實驗中觀察到小鼠瞳孔的明顯收縮，這從一定程度上反映了這個小鼠的光感確實得到了恢復。

下一步，就是檢驗視覺信號能否順利地傳遞到盲小鼠的大腦。這個時候我們就要用到實驗室裏常用的開腦洞技術。

我們真的在小鼠的顱骨上開了一個洞，把探測神經活動的金屬電極插到它的腦中，再把它放在一個虛擬現實的環境下，去看小鼠對於不同視覺環境的反應

這個視頻中小鼠在一個虛擬的走廊裏面狂奔，但其實它只是在一個氣球上。

這是我們記錄到的小鼠狂奔時的腦電活動。

我們驚喜地發現，在植入了納米線5個月之後，這隻盲小鼠的視皮層依然有較好的光反應，跟正常的小鼠基本沒有太大的差異。説明二氧化鈦這種人工納米材料確實能夠使盲小鼠恢復光感。

03叩響希望之門

我們研究發表之後，有很多病人的家屬給我以及我的合作者發來了郵件，他們最關心的就是這個材料是不是能夠被應用到人類身上。有一對印度夫婦，女兒也是視網膜色素變性的患者，他們專程來中國，到我們的實驗室來和我們交流，想要了解能夠幫助他們的女兒恢復視覺的一切可能。

目前，我們正在和中山醫院的眼科醫生進行緊密合作，努力將二氧化鈦納米線向臨牀應用方面做進一步轉化，希望這種材料未來真的可以讓光感受器退化的患者重見光明。

我覺得，作為一個科技工作者，能夠通過我們的努力，給患者重新打開希望之門，這是我們工作最大的意義。