“像人眼一样识别颜色”……人工视网膜技术更进一步

Published 17 Sep.2023 12:00(KST)

KIST开发人工光受体-信号传导技术

针对因事故或各种眼科疾病导致视网膜受损的人群，用于制造并移植“人工视网膜”的技术正不断进步。我国研究人员已经成功制备出一种能够像人眼一样识别颜色并将其转换为信号的人工光感受器。

韩国科学技术研究院（KIST）17日表示，由传感器系统研究中心的Kim Jaeheon、Song Hyunseok博士，以及脑融合技术研究团的Kim Hongnam博士团队，通过体外细胞实验，成功制备出具有人类同等水平视觉功能的人工光感受器，并在此基础上开发出一种人工视觉回路平台，可以将该人工光感受器接受光照后产生的电信号传递至其他神经细胞。

对于因视功能受损、黄斑变性、糖尿病性视网膜病变等视网膜疾病而失明的患者而言，“人工视网膜”技术正成为新的希望。人工视网膜研究一般是在真正应用于人体之前，先在实验动物体内诱导产生视网膜疾病，再对人工视网膜技术的有效性进行验证。在这一过程中，不仅耗费大量研究经费，还可能出现诸如将由气味、声音等非视觉感官信息引起的鼠类行为变化误认为是人工视网膜作用结果等意料之外的实验变量。

人类视网膜由锥体细胞和杆体细胞构成。锥体细胞产生能够区分红、绿、蓝三种颜色的光感受器蛋白，杆体细胞则产生能够区分明暗的光感受器蛋白。人眼通过外界光线在视网膜上成像，并经视神经将信息传递至大脑，从而完成对物体的观看。

既有的人工视网膜研究多采用对单一神经细胞进行电穿孔，或注入病毒-基因的方式，但在人工诱导光感受器蛋白表达之前，神经细胞就已丧失功能或发生坏死，这一直是难题。

研究团队利用一种名为球状体（spheroid）的神经细胞群落作为光感受器表达的平台，通过提升细胞间相互作用，从而提高神经细胞的功能性和存活力，成功实现了人工光感受器蛋白的稳定表达。以往在二维细胞培养条件下注入光感受器蛋白时，存活下来的神经细胞不足50%；而采用神经球状体后，细胞存活率可提升至80%以上。

研究团队分别表达了负责区分明暗的视紫红质（约490纳米）和负责色彩区分的蓝视蛋白（约410纳米），制备出在蓝色和绿色光下具有选择性反应性的球状体。这些球状体在与人眼感知颜色相同的波长范围内产生反应。

随后，研究团队制作了一种装置，将模拟眼睛的光反应性神经球状体与模拟大脑的普通神经球状体连接起来，并通过荧光显微镜成功捕捉到神经传导扩展至普通球状体的全过程。也就是说，研究人员构建出了一个视觉信号传递模型，可用于探索人类大脑是通过何种过程将源自视网膜的信号识别为不同颜色。

Kim Jaeheon博士表示：“我们从多角度验证了人工光感受器在视觉信号传递方面的可行性，从而有望降低对动物实验的依赖，并节约研究成本。这一平台今后将通过生产能够识别人类可见全部颜色的球状体，发展为针对视觉相关疾病和治疗的测试试剂盒。”