突破视觉极限！新一代假体有望让失明者重见光明

全球有超过2亿的视网膜变性患者，他们长期生活在黑暗中，无法享受多彩的世界。想象一下，有一项技术不仅能使视觉障碍者重见光明、恢复视力，还能使其拥有红外“夜视”能力——这听起来像科幻电影的情节，如今正在变为现实。

中国科学院上海技术物理研究所联合复旦大学的研究团队，成功开发出基于碲纳米线网络的新一代视觉假体，不仅帮助失明动物模型恢复了可见光视觉，还赋予了它们感知红外光的“超视觉”功能。这项发表在《科学》杂志上的突破性研究，为全球范围内的视网膜变性患者带来了新的希望。

正常人视野（左）与视网膜色素变性患者的视野对比（右）

（图片来源：维基百科）

师法自然：当碲纳米线网络遇上蛇类的红外天赋

视网膜变性疾病是全球视力不可逆丧失的主要原因之一。在正常情况下，视网膜中的感光细胞（视杆细胞和视锥细胞）负责将光信号转化为电信号，传递给大脑形成视觉。然而，当这些感光细胞因疾病而逐渐死亡时，患者就会失去视觉能力。

人类右眼的横切面示意图（不同动物的眼睛构造会有所差异）

（图片来源：维基百科）

那么，让视觉障碍者恢复视力的同时，还额外获得红外“夜视”能力，这一重大技术突破，科学家们究竟是怎么做到的呢？

他们首先从大自然中获取灵感。大自然中的一些动物，如蛇类，能够同时感知可见光和红外辐射，从而更准确地评估周围环境。由于红外光波长较长、能量较低，人类的眼睛缺乏对红外光谱敏感的感光细胞，无法形成视觉信号。但对于患有严重眼疾的患者来说，理论上可以通过技术手段（如红外成像设备）将红外光转换为可见信号，从而在弱光和黑暗环境中提供视觉辅助。

研究团队正是受到这种自然现象的启发，设计出了能够处理更宽光谱的视觉假体。碲纳米线网络是一种由碲元素制成的纳米线相互连接而形成的网络状材料，它的独特之处在于其内在的光电转换能力。通过理论计算，研究人员发现，碲纳米线网络产生的巨大宽光谱光电流与纳米线晶格内部缺陷的不对称性和外部界面效应（是指碲纳米线与周围环境，如基底材料、电解质溶液或生物组织之间界面处产生的物理化学效应）密切相关。

通过巧妙结合窄带隙、强吸收和工程化不对称性，碲光电纳米器件展现出了创纪录的高光电流和最宽的响应光敏感波长范围。与现有的视觉修复技术相比，TeNWNs假体在零电偏压下就能产生巨大的光电流，无需额外的辅助设备，这在技术上是一个重大突破。

下一代视觉假体：修复并增强视觉功能

（图片来源：参考文献[2]）

如上图所示，碲具有从可见光到红外光的宽光谱光学吸收特性（左上），植入视网膜下的碲纳米假体可替代退化的感光细胞，产生光电流来激活残存的视网膜回路（左下）和枕叶皮质（大脑最后端的视觉信息处理中枢，右上）。通过不对称工程和纳米线网络形态学设计，碲纳米线网络（TeNWNs）实现了巨大的、自发的、零偏压光电流和微创简易植入（右下）。这些特性使其成为下一代视觉假体技术的理想候选。

TeNWNs假体：告别笨重装备，拓展出“超视觉”能力

传统的视网膜假体主要依赖光电二极管技术，通过人工刺激残存的视网膜神经元来恢复部分视觉功能。但这些技术面临着诸多挑战：制备工艺复杂、需要外部电源供应、感知光谱范围有限，以及需要笨重的辅助设备等。并且，现有技术只能在有限的可见光范围内工作，无法拓展到红外光谱。

碲纳米线网络（TeNWNs）视网膜假体的出现彻底改变了这一局面。这种革命性的装置具有三个显著优势：

首先，TeNWNs假体的光谱覆盖范围突破性扩展。传统的视网膜假体通常只能响应可见光，而它的响应范围从470纳米延伸到1550纳米，横跨可见光到近红外II区，这意味着使用者不仅能恢复正常视觉，还能获得红外“夜视”能力。

其次，该假体能够自主将光信号转化为电信号，这意味着它可以通过简单的微创手术植入视网膜下空间，避免了复杂的外部设备，实现了技术的简洁性。传统假体往往需要复杂的外部电源和控制系统，而TeNWNs假体能够在零电偏压下自主工作，极大地简化了系统设计和植入手术的复杂性。这种自供电的特性不仅提高了系统的可靠性，也减少了患者身心需要承受的负担。

最后，TeNWNs假体在生物相容性方面表现优越。实验结果表明，该假体植入后不会引起实验动物明显的炎症反应或组织排斥，这为长期使用提供了保障。

科研人员用镊子夹起TeNWNs假体实物样品

（图片来源：参考文献[1]）

技术验证：小鼠与食蟹猴重见光明记

为了验证这一技术的有效性和安全性，研究团队进行了初步的动物实验。在植入前的测试中，纳米假体显示出稳定的光电特性和对光照模式的精确响应，为后续的生物实验奠定了坚实基础。

在失明小鼠光感复现的实验中，植入的纳米假体成功替代了受损的感光细胞，触发了视神经和视觉皮层的响应。更令人振奋的是，植入假体的小鼠在光照强度仅为临床安全阈值（此处指对视网膜不会造成损伤的最大光照强度）1/80的情况下，就表现出更好的光诱导瞳孔反应，并在基于视觉线索的学习行为测试（包括水奖励视觉线索关联学习和选择箱任务）中显示出显著改善。这证明了该假体不仅能恢复基本的光感知能力，还能支持更高层次的视觉学习行为。

为了进一步验证技术的临床转化潜力，研究团队在非人灵长类动物——食蟹猴上进行了验证实验。结果显示，纳米假体与视网膜紧密结合，在视网膜下空间产生了对可见光和红外光的强烈反应。更重要的是，实验动物在获得红外视觉能力的同时，正常的可见光视觉功能没有受到任何损害，这为未来的人体试验提供了重要的安全保证。

未来展望：光明征程的下一站

从临床意义来看，这项技术的成功为视网膜变性疾病的治疗开辟了全新的方向。然而，从实验室到临床应用仍然面临一些挑战。一方面，技术有待进一步优化，包括如何提高空间分辨率、优化刺激模式以及改善长期稳定性等。另一方面，临床试验的设计和实施还需要通过严格的安全性评估和有效性验证。

研究团队表示，这项成功的动物研究为未来的人体试验铺平了道路，展示了该假体在恢复可见视觉和扩展增强红外感知方面的潜力，有望为视力障碍患者提供比现有技术更安全、更有效且光谱响应更广的治疗方案。

从更广泛的角度来看，我们不妨大胆设想，这项技术或许会催生更多创新应用——例如，健康人群是否也可以通过类似技术获得增强的视觉能力？类似“超视觉”的技术能否延伸至其他感官的强化？这些问题都为未来研究提供了富有想象力的探索方向。

参考文献：

[1]Shuiyuan Wanget al.,Tellurium nanowire retinal nanoprosthesis improves vision in models of blindness.Science388,eadu2987(2025).DOI:10.1126/science.adu2987

[2]Eduardo Fernández,Nanowires replace lost retinal cells.Science388,1025-1026(2025).DOI:10.1126/science.ady4439

出品：科普中国

作者：郭菲（烟台大学）

监制：中国科普博览