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前言

 

近期，埃隆?馬斯克旗下 Neuralink 獲 FDA “突破性設(shè)備” 許可。但該許可不代表已研發(fā)出治愈失明方法，它是一個(gè)自愿申請項(xiàng)目，可獲 FDA 專家互動(dòng)及優(yōu)先審查。Neuralink 盲視技術(shù)是恢復(fù)盲人有限視力技術(shù)新版本，通過微電極陣列刺激視覺皮層神經(jīng)元。雖有進(jìn)步但仍存缺陷，如電極密度低時(shí) “看到” 的東西無可辨模式，且即使對近期失明者，視力也不會如所說那樣簡單恢復(fù)，對天生失明者更無法創(chuàng)造正常視覺概念。但該技術(shù)似乎創(chuàng)造了更好的微電極陣列，可能降低排斥或腦損傷風(fēng)險(xiǎn)，其設(shè)備和方法可能為未來失明治療做出貢獻(xiàn)。

 

技術(shù)是否可靠、能否真正邁向臨床應(yīng)用，始終是在風(fēng)險(xiǎn)與臨床獲益之間進(jìn)行權(quán)衡。在此分享一項(xiàng)非侵入性超聲波技術(shù)。2024年5月27日，來自南加州大學(xué)維特比分校的研究團(tuán)隊(duì)在國際知名期刊Nature子刊「Nature Communications」(IF=16.6)發(fā)表題為「Noninvasive imaging-guided ultrasonic neurostimulation with arbitrary 2D patterns and its application for high-quality vision restoration」即「具有任意二維模式的無創(chuàng)成像引導(dǎo)超聲神經(jīng)刺激及其在高質(zhì)量視力恢復(fù)中的應(yīng)用」的研究論文。研究表明超聲波可以刺激視網(wǎng)膜向大腦發(fā)送視覺信號，有效恢復(fù)視力。

 

摘  要

 

視網(wǎng)膜退化是全球范圍內(nèi)導(dǎo)致不可逆視力低下和失明的主要原因，可通過刺激視網(wǎng)膜中剩余神經(jīng)元的視網(wǎng)膜假體部分解決。然而，現(xiàn)有的基于電極的治療是侵入性的，對患者和醫(yī)療保健提供者構(gòu)成重大風(fēng)險(xiǎn)。在這里，介紹一種完全無創(chuàng)的超聲波視網(wǎng)膜假體，其特點(diǎn)是定制的超聲二維陣列，可同時(shí)進(jìn)行成像和刺激。借助同步三維成像引導(dǎo)和自動(dòng)對準(zhǔn)技術(shù)，超聲波視網(wǎng)膜假體可以產(chǎn)生編程的超聲波，以動(dòng)態(tài)和精確地在視網(wǎng)膜上形成任意波形。大腦視覺中心的神經(jīng)元反應(yīng)反映了這些模式，證明了人工視覺的成功創(chuàng)造，這在行為實(shí)驗(yàn)中得到了進(jìn)一步證實(shí)。對空間時(shí)間分辨率和視野的定量分析證明了超聲波視網(wǎng)膜假體的先進(jìn)性能，并闡明了視網(wǎng)膜刺激的生物物理機(jī)制。作為一種非侵入性失明假體，超聲波視網(wǎng)膜假體可以為盲人患者提供更有效、更廣泛接受的治療。其采用單個(gè)超聲陣列的實(shí)時(shí)成像引導(dǎo)刺激策略，也可有益于其他疾病的超聲神經(jīng)刺激。

以下，詳細(xì)介紹研究部分重點(diǎn)內(nèi)容：

 

研究背景

 

視力障礙和失明影響全球超 2 億人，對公共衛(wèi)生構(gòu)成重大挑戰(zhàn)。視力喪失主要由年齡相關(guān)性黃斑變性、視網(wǎng)膜色素變性、糖尿病視網(wǎng)膜病變等眼部疾病引起的光感受器退化導(dǎo)致，光感受器退化被認(rèn)為是導(dǎo)致視力障礙的最常見原因之一，隨著時(shí)間的推移，退化的光感受器會導(dǎo)致無法挽回的視力喪失。簡而言之：當(dāng)光感受器無法檢測光線時(shí)，大腦將無法產(chǎn)生視覺效果。

目前治療這些疾病的唯一方法是使用視覺假體，如視網(wǎng)膜、視神經(jīng)或皮質(zhì)假體等，其中視網(wǎng)膜假體通常是首選，但現(xiàn)有方法具有侵入性，需植入電極和手術(shù)干預(yù)，給患者帶來巨大風(fēng)險(xiǎn)和負(fù)擔(dān)，且基于電極的假體視野小于 30°，影響患者日?；顒?dòng)。其他侵入性較小的技術(shù)如光遺傳學(xué)和聲遺傳學(xué)需復(fù)雜基因工程預(yù)處理和引入病毒，臨床應(yīng)用有限。

超聲神經(jīng)刺激始于 1958 年，是新興非侵入性技術(shù)，有微米級分辨率和厘米級穿透深度，在治療各種疾病方面有前景。且視網(wǎng)膜上的超聲刺激表明基于超聲的非侵入性視網(wǎng)膜假體具有可行性和潛力，但將其從實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)化為臨床治療進(jìn)展緩慢且具挑戰(zhàn)性，現(xiàn)有定位刺激目標(biāo)的方法需頻繁手動(dòng)校準(zhǔn)，不適合日常使用，且刺激焦點(diǎn)尺寸較大，副作用風(fēng)險(xiǎn)高，視覺恢復(fù)需生成任意全面刺激模式以創(chuàng)建動(dòng)態(tài)視覺模式。

 

研究設(shè)想

 

南加州大學(xué)維特比分校研究團(tuán)隊(duì)引入了基于超聲的視網(wǎng)膜假體（U-RP），其創(chuàng)新思路是通過攝像頭捕捉外部環(huán)境圖像，傳至處理和控制單元轉(zhuǎn)化為超聲控制信號引導(dǎo)超聲陣列，專門的二維超聲陣列產(chǎn)生超聲波精確刺激視網(wǎng)膜，受刺激的視網(wǎng)膜神經(jīng)元產(chǎn)生視覺信號經(jīng)視神經(jīng)傳遞到大腦產(chǎn)生人工視覺。

 

研究結(jié)果

 

具體的技術(shù)實(shí)現(xiàn)路徑如下：使用超聲探頭刺激視網(wǎng)膜，通過多電極陣列（MEA）記錄對側(cè)上丘（SC）頂面的神經(jīng)元活動(dòng)以評估超聲誘發(fā)的視網(wǎng)膜活動(dòng)是否傳播到更高級視覺中樞，還進(jìn)行光纖光度測定監(jiān)測初級視覺皮層的神經(jīng)元反應(yīng)以證實(shí)人工視覺的存在。實(shí)現(xiàn) U-RP 的自動(dòng)對準(zhǔn)技術(shù)，利用超聲 3D 成像和自動(dòng)位置檢測，采集眼球橫截面圖像，重建 3D 模型確定視網(wǎng)膜位置，將位置信息反饋到模式生成算法中，使超聲二維陣列能動(dòng)態(tài)生成任意模式刺激視網(wǎng)膜。對 U-RP 的性能特征進(jìn)行量化分析，包括空間分辨率、視野、時(shí)間分辨率等，并研究其物理機(jī)制，還通過行為測試和安全性檢查評估其功效和安全性。

圖：U-RP 無創(chuàng)激活 PD 視網(wǎng)膜

 

為了測試他們的設(shè)備，該團(tuán)隊(duì)對盲鼠和視力正常的老鼠進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。通過讓老鼠缺水，研究人員通過超聲波或光刺激來訓(xùn)練（或激勵(lì)）老鼠在檢測到視覺符號時(shí)喝水。例如，視力正常的老鼠在通過光刺激檢測到符號時(shí)會受到激勵(lì)喝水。同樣，盲鼠在通過超聲波刺激檢測到符號時(shí)也會受到激勵(lì)喝水。這種方法讓研究人員發(fā)現(xiàn)，視力正常的老鼠和盲鼠對光和超聲波刺激的反應(yīng)相似；兩組老鼠在受到刺激（無論是光還是超聲波）時(shí)都會喝水。

此外，研究人員證實(shí)，聚焦超聲不僅刺激了盲鼠大腦中的神經(jīng)活動(dòng)，還使它們能夠?qū)?xì)微的符號形成視覺圖像。當(dāng)向盲鼠展示 “U”、“S” 或 “C” 等符號時(shí)，它們能夠形成與視力正常的老鼠相似的視覺圖像。這一發(fā)現(xiàn)意義重大，因?yàn)樵搱F(tuán)隊(duì)之前的研究測試了老鼠對一個(gè)符號的可視化能力。通過測試各種符號，證實(shí)了老鼠能夠?qū)Ω鞣N不同的刺激形成視覺圖像。

 

綜上，研究團(tuán)隊(duì)使用電極來追蹤老鼠的神經(jīng)反應(yīng)，通過監(jiān)測老鼠視覺皮層中的神經(jīng)活動(dòng)，證實(shí)了老鼠能夠通過聚焦超聲成功地將呈現(xiàn)給它們的刺激可視化。這些新發(fā)現(xiàn)讓研究團(tuán)隊(duì)看到了超聲波可以為醫(yī)療行業(yè)帶來的優(yōu)勢和精度，即更精細(xì)、更有針對性的治療、診斷等等。

 

 討    論

 

U-RP 的優(yōu)勢

 

非侵入性帶來的好處：1）與侵入性假體相比，U-RP 完全非侵入，可減輕安全問題和手術(shù)負(fù)擔(dān)，提高人工視覺質(zhì)量和接受率；2）能有效刺激中央和周邊視網(wǎng)膜，擴(kuò)大了視網(wǎng)膜假體的適應(yīng)癥，尤其適用于進(jìn)行性視網(wǎng)膜疾病中周邊感光細(xì)胞丟失而中央視網(wǎng)膜保持完整的情況。

 

性能良好：1）空間分辨率優(yōu)于 100 µm，超過市售 Argus II 假體，與 PRIMA 和 POLYRETINA 相當(dāng)且低于光伏植入物。2）具有全尺寸視野（FOV），可生成更具信息量的模式，像素?cái)?shù)高出一個(gè)數(shù)量級。3）時(shí)間分辨率為 15 Hz，與基于電極的假體和超聲遺傳學(xué)相當(dāng)，雖低于光遺傳學(xué)，但優(yōu)化刺激波形可能提高其性能。4）集成實(shí)時(shí) 3D 成像和自動(dòng)對準(zhǔn)，平衡功率效率和成像分辨率，實(shí)現(xiàn)對視網(wǎng)膜的精準(zhǔn)刺激，且該方法未來可能適用于刺激其他組織。

 

U-RP 的安全性

 

盡管 U-RP 避免了侵入性植入和基因工程，但超聲波可能通過負(fù)壓空化或熱沉積造成損害。不過該研究中使用的超聲參數(shù)在高頻范圍內(nèi)符合 FDA 要求，低頻雖高于 FDA 要求但安全性研究證明低頻或高頻超聲波在實(shí)驗(yàn)中是安全的。區(qū)分未聚焦的成像場和聚焦的刺激場很重要，由于視網(wǎng)膜有足夠血管分布，產(chǎn)生的熱沉積可被消散，且計(jì)算的溫度指數(shù)在安全范圍內(nèi)。

 

研究貢獻(xiàn)

 

U-RP 作為非侵入性視力恢復(fù)方法，可減輕安全問題和手術(shù)負(fù)擔(dān)，提高人工視覺質(zhì)量和接受率，具有良好的性能和潛在應(yīng)用，為從嚙齒動(dòng)物研究到人類研究鋪平道路。

探索使用單個(gè) 2D 陣列進(jìn)行動(dòng)態(tài)波束控制的同時(shí)實(shí)時(shí)成像引導(dǎo)刺激策略可使超聲神經(jīng)刺激對其他器官有益。

 

研究局限

 

雖然證明了 ARF 是超聲視網(wǎng)膜刺激的物理機(jī)制，但生物學(xué)機(jī)制仍需進(jìn)一步探索。確定每個(gè)離子通道在超聲視網(wǎng)膜刺激中的作用。

 

探索方向

 

豐富視覺體驗(yàn)：下一步要弄清楚哪種超聲波頻率或波長組合可以使視障人士看到更多顏色，以此為基礎(chǔ)開發(fā)假體，為視障人士提供更豐富的視覺體驗(yàn)。

克服可穿戴性問題：目前正在將各種超聲波技術(shù)改造成更緊湊、更方便的形式，如增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）眼鏡中的超聲波視網(wǎng)膜假體，以從根本上改變視覺輔助的范圍，使其適用于日常使用。

結(jié)合AR技術(shù)擴(kuò)大受眾：開發(fā)透明的傳感器，不阻擋視線且能像玻璃一樣透明，將超聲波傳輸?shù)接脩粞劬χ?，安裝在 AR 眼鏡中，可在日常環(huán)境中舒適佩戴。即使遠(yuǎn)離移動(dòng)設(shè)備，也能顯示筆記、文本甚至方向，無需拿起手機(jī)，為人們的日常生活帶來便利。

 

項(xiàng)目進(jìn)展

 

為了推動(dòng)移動(dòng)超聲設(shè)備的發(fā)明，該團(tuán)隊(duì)于 2023 年申請了一項(xiàng)新專利，該專利為未來非侵入性超聲視網(wǎng)膜假體的關(guān)鍵技術(shù)內(nèi)容。該團(tuán)隊(duì)目前有其他兩項(xiàng)正在申請的專利，旨在進(jìn)一步推動(dòng)醫(yī)療行業(yè)超聲技術(shù)的發(fā)展，開拓精準(zhǔn)和非侵入性治療的新領(lǐng)域。

 

結(jié)語

 

南加州大學(xué)維特比分校的研究團(tuán)隊(duì)提出了一種非侵入性的視力恢復(fù)方法，即基于陣列的超聲視網(wǎng)膜刺激的 U-RP，能使用特定模式刺激視網(wǎng)膜并在高級視覺通路生成匹配模式。這種極具創(chuàng)新性的方法在不久的將來或會改變數(shù)百萬人的生活，憑借超聲波的驚人力量為人們帶來更清晰、更光明的未來。