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感知颜色的仿生眼,从计算机模型中升级


时间:2021-05-02 14:14:34  来源:  作者:

视网膜色素变性( retinitis pigmentosa,RP)是一组遗传性视网膜疾病,与视网膜的变性有关。通常始于视网膜赤道部,并向黄斑中心凹方向发展。患者伴有夜盲、进行性周边视野缺损,最终导致中心视力下降。
据估计,目前,视网膜色素变性的发病率约为1 / 4000。超过150万的RP患者出现进行性视力恶化,多数患者处于低视力或失明状态。在这样的情况下,“仿生眼”的出现或将为患有这种综合症的人提供部分视力。
Argus II是世界上第一个视网膜假体,它复制了对视觉至关重要的眼睛部分的一些功能从而让用户感知运动和形状。虽然视网膜假体领域仍处于起步阶段,但对于全球数百名用户来说,“仿生眼”丰富了他们跟世界日常互动的方式。
当然,这仅仅是个开始,现在,来自南加州大学凯克医学院和南加州大学维特比工程学院的眼科学和电气工程教授Gianluca Lazzi就带领着研究团队向真正模仿视网膜复杂性的系统开发。而这个过程,则离不开计算机模型的帮助。
研究人员首先经过实验验证的模型重现了眼睛中数百万神经细胞的形状和位置以及与它们相关的物理和网络属性。随后,研究人员通过专注于将视觉信息从眼睛传输到大脑的神经细胞模型,得以确定未来视网膜假体设备可能增加清晰度和赋予色觉的方法。
通过理解计算机模型是如何改进仿生眼的,科学家们得以了解一些视觉是如何产生的以及假肢是如何工作的——
当光线进入健康的眼睛时,晶状体将光线聚焦到眼睛后部的视网膜上。一种叫做光感受器的细胞会将光转化为电脉冲,然后再由视网膜中的其他细胞处理。经过处理后,信号回被传递到神经节细胞,神经节细胞通过被称为轴突的长尾巴将信息从视网膜传递到大脑,这些长尾巴则会捆在一起从而构成了视神经。
感光细胞和处理细胞在退行性眼病中死亡。视网膜神经节细胞通常会保持更长时间的功能,此次研究就负责直接向这些细胞发送信号。
患者需要接受一个带有一系列电极的微小眼球植入物。当一副带有摄像头的特殊眼镜传输信号时这些电极就会被远程激活。摄像头检测到的光线模式决定了哪个视网膜神经节细胞被电极激活并向大脑发送一个信号,这能让大脑感知到一个由60个点组成的黑白图像。
在一定条件下,植入物中的电极会顺便刺激邻近目标的细胞轴突。对于仿生眼的使用者来说,轴突的这种偏离目标的刺激会导致他们感知到的是一个拉长的形状,而非一个点。
研究人员在单细胞水平和在巨大的网络中使用了两种类型的视网膜神经节细胞模型。他们发现了一种短脉冲模式,其能优先以细胞体为目标而轴突的脱靶激活会变得较少。通过利用这个模型,研究人员成功开发了一种通过调整信号频率来产生对蓝色的感知的频率。
仿生眼的到来对于视力障碍者无疑是一大福音,这不仅提供了光明的可能,也许诺了机器人未来的更多想像。 

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