科幻电影“超视觉”在实验室实现：复旦“全球首款”使失明动物“增强复明”

科幻电影中凭借红外视觉锁定目标的“超视觉”已在实验室中照进现实。近日，复旦大学集成电路与微纳电子创新学院周鹏/王水源团队、脑科学研究院张嘉漪/颜彪团队联合中国科学院上海技术物理研究所胡伟达团队合作开发出全球首款光谱覆盖范围极广（470-1550nm，从可见光延伸至近红外二区）的视觉假体。该假体无需依赖任何外部设备，即可使失明动物模型恢复可见光视觉能力，还赋予动物感知红外光甚至识别红外图案的“超视觉”功能。今天（6月6日），相关成果以《碲纳米线视网膜假体增强失明视觉》为题发表在《科学》（Science）杂志上。

这一新技术既规避了侵入性脑部手术的风险，又突破了人类天然视觉的极限，为失明者重新“看见”提供新可能。

从可见光到红外光，打开超越生理极限感知窗

通常而言的“可见光”，指人类视网膜可感知的光谱范围，即380nm至780nm。在全球，有超2亿的视网膜变性也就是感光细胞死亡患者，连这有限的“光明”也被剥夺。

此次发表于《科学》的研究中，复旦联合技物所科研团队另辟蹊径，研制出碲纳米线网络（TeNWNs）视网膜假体。该器件的光电流密度达到了当前已知体系的最高水平，并首次实现国际上光谱覆盖最宽的视觉重建与拓展，范围横跨可见光至近红外II区。

记者看到，当一片薄如蝉翼、指甲盖大小的TeNWNs假体植入动物模型的眼底，它可在视网膜中替代凋亡的感光细胞接收光信号，并将其转化为电信号。在光的照射下，它能高效产生微电流，直接激活视网膜上尚存活的神经细胞。这种完全自供电、无需外接设备的特性，成功让实验室里的失明小鼠重获对可见光的感知能力。

更令人振奋的是，该团队在非人灵长类动物（食蟹猴）模型上的实验也验证了该假体的有效性。植入半年后，动物模型均未观察到任何不良排异反应，这为后续推进临床应用转化奠定重要基础。目前，团队已着手深入研究视觉假体与视网膜的高效耦合机制。

值得注意的是，除了恢复可见光视觉，TeNWNs视网膜假体还能让使用者“看见”红外光，能精确定位940nm和1550nm的红外光源。仅需一次微创、且可逆的视网膜下植入手术，该假体不仅能修复可见光视觉，更能将视觉感知拓展至红外波长范围。科研人员形象地说，这犹如令失明动物实现“增强版复明”。

这一方案融合“仿生修复”与“功能拓展”双重特性，既规避了侵入性脑部手术的风险，又突破了人类天然视觉的物理极限。复旦大学集成芯片与系统全国重点实验室青年研究员王水源说：“这种新一代超视觉假体技术能让失明者重新感受到视觉，未来还有望为人类打开一扇超越生理极限的感知之窗。”

十年深耕，医工交叉照亮“复明之路”

这一技术可理解为广义的“脑机接口”，为传统医学上认为不可逆的致盲疾病提供新可能。这一成果的背后凝聚科研人员十年心血。

“我们前期主要聚焦高能效的神经形态仿生器件和电路研究，在5年前开始转型，探索真正可以落地的应用，医工交叉的生物电子正是我们认为最具应用希望和价值的场景。”王水源说。

2021年，该团队就在国际上首次提出单器件感存算功能的“全在一”集成，真实模仿了视网膜完整架构，成果发表于《自然-纳米科技》（Nature Nanotechnology），这成为本工作开展的重要基础。团队在转型中，率先把目光瞄准了最关键的视觉功能。除了本次发表的“盲视”新技术，王水源带领的NBE（神经形态仿生电子）小组还在神经调控、功能恢复、脑机/脑脊接口等领域推进新探索。

复旦大学脑功能与脑疾病全国重点实验室/脑科学研究院/附属眼耳鼻喉科医院研究员张嘉漪，拥有物理学与神经生物学的交叉学科背景。她敏锐地观察到物理学中光电元件的特性与生物的感光功能存在诸多相似之处，由此萌生了一个关键问题：“能否利用人工材料来实现生物感光的作用？”带着这一科学构想，张嘉漪带领团队在“盲人复明”研究领域展开长达十年的探索。

“复旦大学和上海医学院为我们提供了极佳的跨学科合作平台。”张嘉漪说，依托学校多学科优势，志同道合的跨界专家走到一起，通过在材料科学、芯片科学、神经科学和临床医学等多领域的深度交融，在复旦这片沃土上开垦前沿。

2023年，张嘉漪联合复旦大学附属眼耳鼻喉科医院教授姜春晖、附属中山医院教授袁源智以及先进材料实验室教授郑耿锋组成的跨学科研究团队，在国际上首次基于纳米材料成功开发了第一代人工光感受器，这也是本次研究的前身。相关成果发表于《自然-生物医学工程》（Nature Biomedical Engineering），已获批发明专利2项。

“尽可能帮助失明患者、为其提供更多复明可能，是我们团队研究的初心。”张嘉漪说，团队的研究策略是“双轨并行”：除了开发生物假体材料（如人工光感受器）进行生物替代，也在同步探索针对失明的基因治疗手段。

“在疾病早期阶段，可以尝试基因治疗等生物干预；到了晚期，若感光细胞已凋亡且缺乏生物靶点，则可以采用假体进行替代。”她说，这两种路径相辅相成，有望覆盖更多处于不同疾病阶段的失明患者。

周鹏团队与胡伟达团队自2014年相识以来，就在新型低维材料器件应用领域进行了卓有成效的合作。该团队专注于窄带隙半导体材料及其红外光电探测研究，其研制低维碲材料已被验证能用于强红外且广谱的生物神经调节领域，相关成果合作发表于《光：科学与应用》（Light:Science&Application），为该工作奠定良好研究基石。同时，自2017年起，该团队还与张嘉漪团队携手，共同致力于将电子学的发现结合到为人类健康服务上。

十年深耕，医工交叉最终照亮这条“复明之路”。就何时应用于人体，科研人员表示“尚需时日”，除了安全性、有效性考量，鉴于这个研究成果涉及“增强版”复明能力，人体应用还涉及伦理考量。因为传统治疗旨在“修复”，而这一新技术带来“拓展”原有功能的新结果。如何平衡“修复”与“拓展”的关系？如何把握适应人群与适应症？这些新问题在新技术推进中有待厘清。

复旦大学集成芯片与系统全国重点实验室/集成电路与微纳电子创新学院周鹏、王水源，脑功能与脑疾病全国重点实验室/脑科学研究院/附属眼耳鼻喉科医院张嘉漪，中国科学院上海技术物理研究所、红外科学与技术全国重点实验室胡伟达为论文共同通讯作者，王水源和博士生姜承勇、余羿叶、南洋理工大学博士后张振汉，北京邮电大学副教授屈贺如歌为论文共同第一作者。复旦大学附属眼耳鼻喉科医院姜春晖主任完成了非人灵长类的眼部植入手术，颜彪参与了视觉功能评估。研究工作得到科技部、国家自然科学基金委、上海市科委、科学探索奖等项目的资助，以及教育部创新平台的支持。