中國生物物理學會亞細胞結構與功能分會

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中國生物物理學會亞細胞結構與功能分會成立於2021年8月，專注於亞細胞結構動態變化及調控、新型亞細胞結構的發現、亞細胞結構的互作與關聯以及新成像及組學技術的研發等。亞細胞結構與功能的研究高度依賴於學科交叉和新技術新方法的湧現，包括但不限於超高分辨率顯微成像、光電聯合等成像技術。分會致力於多學科的融合交叉，以推動亞細胞結構與功能的研究。分會將為我國研究亞細胞結構與功能的科技工作者提供重要的學術交流平台和人才培養機制，舉辦「蛋白質介導的膜塑形與重裝」等系列品牌學術會議，進一步加強我國亞細胞結構與功能研究和國際同行的交流。分會還將積極參與科普及社會公益活動，並為本領域的相關研究提供應用技術推廣平台。

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【前沿科普】機械義眼已成現實？

通過視覺獲取圖像信息是人類學習和生活的重要功能，失明則會顯着降低其生活質量. 因視網膜色素變性、青光眼和黃斑變性等疾病而造成後天失明者，以及由意外事故、戰爭等造成眼部創傷者，有可能通過人工視覺輔助系統的幫助恢復部分視覺、或者完成複雜的生活任務。一些盲症患者視覺通路的神經傳導剩餘部分依然有功能，因此可以藉助電極陣列刺激視神經向大腦傳遞視覺信息，也可在大腦視覺皮層貼敷電極陣列的方法輸入視覺信息。此外，還能藉助體外裝置，如通過人工智能將視覺轉換成語音指令、觸覺陣列編碼等，幫助盲症患者獲得環境信息。

植入式視覺輔助系統

植入式人工視覺輔助系統，又稱「視覺假體」，主要分為兩類。一類在視網膜區域植入，另一類在視覺層植入。是植入部位示意圖。視網膜區域，又可細分為視網膜、脈絡膜和鞏膜三層（圖1b）。在眼球內的人工視覺輔助植入器件，依據植入位置，主要有視網膜前、視網膜下和脈絡膜上三類。一般來說，眼球內的人工視覺輔助植入器件適用於因視網膜色素變性、年齡相關性黃斑變性等視網膜變性疾病引起的感光細胞損傷，最終導致失明的患者。

通常視網膜前植入裝置將外部圖像壓縮後的電信號陣列與植入視網膜內頂部的電極陣列連接起來。電極陣列放置在視網膜神經纖維層的內表面上，在視網膜表面與形成視網膜輸出通路的視網膜神經節細胞接觸，在離目標視網膜神經節細胞最近的位置提供直接電脈衝刺激，通過視神經的神經節細胞軸突傳到大腦，被植入者便可以體驗到發光點陣列黑白圖案。目前較為成熟的視網膜前植入物有Argus II、IRIS II、Epi-ret 3等。

在視網膜下植入裝置中，數千個裝有微電極的光敏二極管被組裝在一個非常薄的板上，放置在視網膜色素上皮和視網膜外層之間的視網膜下空間。投射在視網膜上的光在光電二極管中產生電流，經由微電極刺激視網膜感覺神經元。已見諸報道的視網膜下植入物包括Alpha-IMS、PRIMA等。

鞏膜和脈絡膜之間放置人工視覺假體，一個關鍵優點是電極不接觸神經視網膜，因此大大降低了視網膜損傷的風險。植入物完全不需要進入玻璃體腔，沒有角膜切開、人工晶狀體摘除、玻璃體切除和視網膜手術的必要性。其缺點是，相比視網膜前和視網膜下的植入器件，脈絡膜上植入物的位置離神經節細胞比較遠，這導致需要更高的電刺激閾值、增加功耗、損失空間分辨率。

上述視網膜假體無法應用於青光眼和視神經病變（視網膜神經節細胞和軸突受損）相關的視力喪失患者。研究發現，視神經、外側膝狀體核和視皮層可以作為任何原因導致完全性視力喪失的刺激目標。視皮層視覺假體是透過顱骨把電極植入視皮層。視覺皮層總體上是按照大細胞的背側和小細胞的腹側皮層的兩個視覺信息流（stream）向前額葉方向投射：背側（頂葉）和腹側（顳葉—）皮層區域的視覺信息流對形狀、顏色、運動和深度信息在猴V1和V2區內的分離處理[6]。視皮質假體主要有ORION、ICVP、CORTIVIS和Gennaris等。

非植入式視覺輔助系統

在過去的十年裡，許多先進的手持、可穿戴和嵌入式輔助設備已經被開發出來，這些設備通過使用超聲波系統、GPS、攝像頭、紅外、激光和移動電話技術，在已知或未知的室內或室外環境中提供豐富的環境信息、避障、物體識別和導航，從而幫助視障人士和盲人，但是功能全面的設備仍然是個難以實現的目標[7]。有Russell Pathsounder和Mowat研製的傳感器[8]，它們在旅行者的直接路徑中起到障礙物探測器的作用；NavBelt是一個可穿戴的、計算機化的、裝備聲納的系統，使盲人用戶能夠安全地通過未知的、障礙物雜亂的環境；Ultracane裝置則將長拐杖與超聲波傳感器結合在一起；德國康斯坦茨大學開發了基於微軟Kinect的低成本移動導航設備；「舌上觸覺」視覺輔助設備，稱為「Brain Port」，幫助盲人用舌平面部位的電刺激感覺「辨識」外界物體；感覺替代設備Eye Music，是通過音樂音符的聽覺體驗傳遞視覺信息；麻省理工學院研發了手指形狀的幫助盲人在旅途中閱讀印刷文本的閱讀器；同時，西班牙阿利坎特大學為視障人士和盲人開發了3D障礙探測智能手機。

新器件、新系統的構想

除了上述視網膜區域植入器件、腦皮層植入器件和體外輔助系統，另外一種思路是將功能特殊的納米顆粒或者分子試劑直接注射、轉移到視網膜，作用於視杆、視錐細胞層，來彌補或者增強使用者對外界光學信號的視覺反應。

一種成功的人工視覺輔助器件和系統，需要滿足幾個基本條件：安裝風險低、視覺效果好或者指令可靠、使用壽命長、維護與修理方便。若要廣泛推廣使用，其成本也需比較小。北京大學電子學院系許勝勇課題組提出了幾項新器件、新系統的構想。

「眼中眼」裝置

這是一種植入眼球內的人造眼裝置，可以使視網膜部分受損的視覺障礙者獲得豐富的彩色視覺。簡單講，是在眼球安放一個發光屏幕和一個柔性成像鏡片，用屏幕上的發光圖像取代外界天然光學圖像，並成像投射到視網膜選定區域。

視網膜或者視皮層無源光電轉換電極陣列器件

在視網膜區域或者視覺皮層植入無源光電轉換電極陣列器件，將能夠直接將包含圖像信息的點陣光源刺激直接轉化成局域電脈衝、激發電極附近的神經元，形成視覺響應。

觸覺頭盔視覺信息指令系統

相對於直接提供視覺的植入式器件與系統，利用震動裝置形成頭皮觸覺的頭盔，輸入觸覺編碼來提供佩戴者有關周圍環境的信息和行動指令，是一種低成本、無風險的有效人工視覺輔助裝置。

研製植入安全、佩戴舒適、功能可靠的多種人工視覺輔助系統，是幫助後天失盲、失明者和視極弱患者的有效途徑。現代芯片技術、生物醫學工程技術、材料科學和人工智能領域的快速發展，為開發功能多樣、使用領域廣泛、成本低廉的人工視覺輔助系統帶來了巨大希望。實際上，在不同的應用場景里，多種系統可以並行、同時使用。比如，智能盲人語音眼鏡與觸覺頭盔合用，能大大增加盲人使用者全方位了解外界環境和路況的能力。

而人造視網膜、人造視皮層電極陣列、「眼中眼」等器件，還可以突破生物極限，拓寬神經科學、腦機接口技術、人機融合等研究領域，為眼科和生物電子器械等產業帶來革命性轉變。結合人工智能技術，新型人工視覺輔助期間與系統將為提升全球數億視覺障礙人群的生活質量做出實質貢獻。