失明是一個人和他或她與生俱來的眼睛之間的私事.
已故葡萄牙作家何塞·薩拉馬戈在他的著名小說《失明》中表達的情感可能適用於天生失明的人。但是，對於全球數千萬患有各種退行性疾病而逐漸失去視力的人呢？問題出在眼睛後部的神經細胞，即他們的視網膜。幸運的是，透過使用先進的神經工程技術，恢復部分喪失的視力的方法正在醞釀之中。
在西方，與年齡相關的黃斑變性和視網膜色素變性這兩種最常見的成人發病性失明的標誌是，負責將入射光線轉化為神經能量的感光細胞逐漸死亡。然而，大約一百萬個神經節細胞仍然完好無損，它們的輸出線束聚在一起，以視神經的形式離開眼球。因此，有遠見的（雙關語）臨床眼科醫生與技術專家合作，透過先進的電子裝置直接刺激神經節細胞，繞過視網膜的缺陷部分。加利福尼亞州一家名為 Second Sight 的公司生產的一種最成功的假體裝置，使用整合到眼鏡中的攝像頭將影像轉換為電子模式。這些模式被髮送到一個小的、10 畫素 x 6 畫素的微電極陣列，該陣列以外科手術方式放置在視網膜上。它刺激神經過程，這些過程以二進位制電脈衝（所謂的動作電位或尖峰）的形式向大腦傳遞資訊。
支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保有關塑造我們當今世界的發現和想法的具有影響力的故事的未來。
尖峰是神經元彼此交流的通用語言。一旦我們理解了它們的低語語言，即神經程式碼，我們將更接近於破譯古老的身心之謎。這種假體傳遞的稀疏資訊（使用 60 個通道而不是數百萬個感光細胞通道）仍然有所幫助。最近一項針對 30 名晚期視網膜退行性疾病患者的臨床試驗中期報告得出結論，Second Sight 視覺假體裝置是安全有效的。也就是說，它們明確地提高了視力敏銳度。未經治療的受試者只能區分明暗，而使用假體的受試者可以檢測到手的動作，有些人甚至可以數手指。儘管他們測量的視力敏銳度（20/1,260，而完美視力為 20/20）仍然使他們被法律認定為盲人，但他們確實能看到一些東西。
人們普遍認為，隨著具有更多刺激位點的更精細的電極陣列的出現，這些殘餘的視覺能力將會提高。鑑於積體電路技術的持續進步，這種增強無疑會發生。然而，其他人認為，真正需要的是更復雜的編碼策略。想想看：如果您突然同時開啟和關閉計算機中央處理單元中的所有電晶體，您的計算機會發生什麼？顯然，您越瞭解軟體指令如何轉化為電晶體柵極上的電荷模式，您就可以更有效地操作計算機，破解其電晶體。
利用神經程式碼
康奈爾大學威爾醫學院神經科學教授 Sheila Nirenberg 和她的博士生 Chethan Pandarinath 剛剛透過使用最新的技術熱潮——光遺傳學 [參見 Christof Koch 的“玩轉生物電”；《大眾科學·思想》，2010 年 3 月/4 月刊]，證明了對神經程式碼的這種增強理解。該方法針對已感染基因改造病毒的小鼠中的特定神經細胞群，這些病毒表達一種名為 channelrhodopsin-2 (ChR2) 的蛋白質。病毒導致神經元在其表面膜中表達 ChR2；ChR2 是一種對藍光敏感的蛋白質。向表達它的細胞發射藍光脈衝，它將以電訊號響應，如果訊號足夠大，則會導致動作電位。任何一組神經元都可以被命令發射，只要它們攜帶病毒靶向的分子特徵。不具有適當分子特徵的神經細胞將不會表達 ChR2。光遺傳學之所以熱門，是因為它允許研究人員有意識地干預大腦緊密交織的網路內的任何一點，從觀察到操縱，從相關性到因果關係。
為了理解 Nirenberg 方法的美妙之處和特異性，重要的是要認識到離開眼睛的視網膜神經節細胞並非只有一個同質群體。相反，存在大約 20 種不同的細胞型別，每種細胞型別都專門用於不同的任務。一些神經節細胞僅對光的開始做出反應，但在光停止時則不反應（“開啟”細胞），而第二組細胞則發出相反的訊號——當光關閉時（“關閉”細胞）它們以尖峰反應，但在看到明亮區域時則保持沉默。如果微電極陣列同時刺激“開啟”和“關閉”細胞——就像全電子策略會發生的那樣——它會混淆視覺大腦，因為它會看起來光剛剛同時被開啟和關閉！
其他神經節細胞群攜帶與特定波長（參與色彩視覺）相關的資訊，而另一些神經節細胞群則傳遞有關向下或側向移動的事物的資訊，等等。從某種意義上說，我們所有人都有 20 種不同的世界觀，強調視覺環境的不同方面。這些零碎和分散的檢視如何統一起來，產生我們有意識地感知到的連貫的世界圖景，仍然是一個令人費解的問題。
幸運的是，看起來每種細胞型別都有自己獨特的分子條形碼。這種知識可用於將光遺傳學分子的表達限制在這些細胞中，然後適當地靶向人工刺激。也就是說，如果我們知道“開啟”細胞的視網膜程式碼——它們將視覺資訊轉換為電脈衝的方式——以及它們的分子特徵，那麼這些細胞（或任何其他群體）就可以被選擇性地靶向。
Nirenberg 和 Pandarinath 在失明小鼠中完成了這種靶向方法，方法是使它們攜帶一種感光細胞所需基因的突變版本，而其神經節細胞也表達 ChR2。編碼器獲取數碼相機捕獲的影像，並將其轉換為適合特定神經節神經元群（例如，“開啟”細胞）的尖峰序列。它透過訓練並將其響應與實際從“開啟”視網膜神經節細胞記錄的響應進行比較，來完成從影像到視網膜程式碼的這種轉換。因此，作為一個簡單的例子，如果一道亮光剛剛移入視野，編碼器應該生成一連串脈衝。這些訊號被轉換為藍光脈衝，驅動“開啟”視網膜神經節細胞發射類似的脈衝序列。對於大腦中作為這些“開啟”視網膜神經節細胞接收者的神經元來說，這些脈衝傳達了發光物體剛剛出現的資料。利用與健康視網膜相同的程式碼應該有助於這些失明小鼠看到東西。
左下角的影像顯示了該裝置重建圖片的效果。如果最左邊的嬰兒照片透過該裝置傳送，原則上，大腦可以重建左近的影像。遠非完美，但顯然是一個蹣跚學步的孩子的影像。
在實地測試中，配備這種視網膜假體的實際小鼠可以可靠地檢測到向左或向右的運動。
真正衡量效能的標準是，將表達 ChR2 的病毒注射到盲人的眼睛中，並給患者一副帶有編碼器和光刺激器的眼鏡，這指日可待。分子生物學、光學和電子學的美妙結合，即光遺傳學，將很快結出碩果，幫助人們重獲視力。敬請期待。