科学家研发的新型人工视觉已能分辨颜色和形状

对全球1亿黄斑变性和其它视网膜疾病的患者来说，生活就是一步步从光明堕入黑暗。他们眼球后方精细的多层神经元会逐渐退化，失去扑捉光子并将它们转化为电信号传入大脑的能力。患者逐渐出现视力模糊或视野狭窄，其中一些人会堕入无边的黑暗。直到最近一些类型的视网膜变性还像皱纹上额头，白发染双鬓一样不可避免，只不过更加可怕，能使人致残。但最近的研究带来了最终驱散黑暗的希望。一些科学家正尝试向眼中注射信号分子，来刺激采集光线的光感受细胞重新生长。另一些科学家则希望向视网膜细胞内导入断裂基因的工作副本，以期重建其功能。而另一些科学家则采用了完全不同的方法，依靠技术对抗失明。他们并不寻求修复眼睛的生物功能，而是通过向人们的眼中植入摄相机来取而代之。

科学家们从1970年代起就一直尝试构造视觉假体。欧洲的管理机构在去年春天批准了第一个商业化的仿生眼，这是一个关键性的里程碑。该装置由加利福尼亚的“第二视力”公司推出，名曰Argus II(Argus为希腊神话中的百眼巨人)，是一副内置了视频像机的特制眼镜。它将摄像机的信号无线传输至一个接在受试者眼后部的6×10像素的电极栅。电极刺激视网膜中的神经元，后者将次级信号通过视神经传入大脑。

60像素的画面虽不能跟高清电视同日而语，但任何一点视力的恢复都会带来巨大的改观。在临床人体试验中，佩戴Argus II的病人能够识别出门在哪儿，区分八种不同的颜色，以及阅读用大号字体书写的短句。如果最近的科技发展史能提供些许指引的话，那么即便日后该产品的分辨率提高了，其当前10万美元的价格也会迅速下降。已经有研究者在测试不需要外接摄像机的人工视网膜，此时，收集光子的不是摄像机电极，而是眼内部的光敏阵列。伊利诺伊州的Optobionics公司已经建立了含有5000个光传感器的试验装置。

商品化的数码相机提示人工视网膜未来还有很大提升空间。 我们的视网膜在1100平方毫米面积内遍布了1.27亿个感光细胞。与之相比，目前最顶级消费级摄像机的探测器在1600平方毫米面积上分布了1660万个光感受器，并且这个数字近年来还在迅速提高。但是简单的堆砌像素并不足以获得人眼那样丰富的视觉体验。俄勒冈大学的物理学家和视觉研究者Richard Taylor说，为了构造一个真正的人造视网膜，工程师和神经科学家要解决比植入相机更加复杂的多的问题。

人们很容易把眼睛看做生物照相机-在某些方面，确实如此。来自图像的光线穿过我们的瞳孔后，最终会在视网膜上产生一个倒置的像。摄相机以同样的原理工作。眼睛和相机分别通过晶状体和镜头来调节入射光的光路，以使成像更为清晰。数字技术革 命让相机更像眼睛。数码相机舍弃了胶片，而是用一个光敏二极管阵列来感光，后者的工作方式与眼中的感光细胞极其相似。

可一经细看，相似不复存在。相机只是枯燥的几何组合。工程师通常将光电二极管做成小方形元件，并规则地排布成网格。大部分现有的人工视网膜都是同样的设计，即由一个矩形电极格栅将光电二极管的脉冲信号传送到神经元。而另一方面，视网膜中的神经网络与其说像网格，不如说像一组如梦幻般的雪花。它们的分枝相互重叠，呈涡旋状纹路布满整个视网膜。这种错位意味着当医生将电极栅置于视网膜上时，很多导线无法接触到神经元，导致它们的信号不能传入大脑。

一些工程师已建议制造更大、排列更紧密的电极，以增大接触面积。但这种办法面临一个根本性的障碍。在人眼中，神经元虽然位于感光细胞之前，但其雪花状的几何分布仍提供了大量空间使光线得以透过。与之相比，使用大电极的人工视网膜却会遮挡其本来想要探测的光线。


天然感光细胞还有另一个古怪之处，就是它们聚集在一起。我们的大部分视觉都是来自于视网膜中央一个针头大小的叫做“中央小窝”的区域，其中密布着感光细胞。落在中央小窝上的光线就产生了我们所看到的清晰影像，即俗称为“视力”的东西；而落在中央小窝之外的光线则产生模糊的外围影像。摄像机则不同，其用来扑捉光线的光电二极管均匀地散布在整个成像区域。

我们之所以没有觉得像通过潜望镜一样看东西，是因为我们的眼睛在不断运动，视线的焦点四处跳跃，这使得中央小窝能捕捉到我们视野的不同部分。眼睛焦点的跳跃距离暗藏着一个数学规则：跳跃的距离越短，跳跃的频率越高。换句话说，焦点偶尔出现大的跳跃，较多的是小的跳跃，更小幅度的跳跃则更加多见。眼睛这种粗略的、片段化的，称之为“分形”的运动模式，是在大范围内采样的一种有效方式。这和昆虫搜寻食物时飞来飞去的模式有着惊人地相似。实际上，我们的眼睛就像昆虫搜寻食物一样地搜寻视觉信息。

我们的眼睛扑捉到光线后，视网膜中的神经元并不直接将信息中转至大脑。相反，它们会在视觉信息离开眼睛之前对其进行加工，通过抑制或增强临近神经元的功能来调节我们的所见。他们会增强明暗区域的对比，有点像对图像进行实时的PS。这种图像加工能力极有可能是进化而来，因为这能使动物更快地感知物体，特别是在幽暗的背景中。试想日暮时分的森林中，如果一只猴子得眯着眼睛、费力地去分辨一头豹子到底是什么的话，那么这只猴子大概不会再（有机会）见到下一头豹子不同于被动摄取图像的摄相机，我们的眼睛经过了进化的打磨，能够主动地提取最重要的信息以应快速决断之需。

人工视网膜中有数百万个光感受器呈规则的网格状排布，科学家们现下只能推测戴着这种人工视网膜看起来可能是什么样。但不管用了多少电极，这种装置都不能重现视觉的体验。由于不具备视网膜复杂的图像加工机制，它也许只能向大脑提供快速而杂乱的信息流。


俄勒冈视觉学者Taylor的观点是简化的人工眼还会导致应激。他让受试者观看不同图案，一些比较简单，另一些则是“分形”图案，然后让他们描述对图案的感受，从而得出上述结论。他也检测了应激的生理表现，如皮电活动等。与简单图像不同，分形图像可降低应激水平高达60%。Taylor怀疑这种平抑效应与我们的眼睛也做分形运动有关。非常有趣的是自然界的图像，如森林和云彩等，常常也具有分形的特点。你看树干上长出大枝干，大枝又萌出分枝，分枝上又长出树叶。由此看来，我们的视觉是为自然界而生的。


而人工视网膜则是简单地模拟数码相机的探测器，想必可以使人以同等的清晰度看到视野中的每个部分。如此一来，眼睛不必作分形运动来选取信息，抗应激效应相应地也就不存在了。

Taylor认为解决方法是制造更像真眼的人工视网膜。可在光感受器中内置反馈程序，以锐化物像的边缘；或将光感受器集簇化，以在中央部位提供更丰富的细节。这样做或许能克服规则分布的电极与不规则分布的神经元之间的不匹配。Taylor正在研制有望用于下一代人造眼的新型电子回路。他的团队制造的这些电路可以自发地产生分枝，形成Taylor称为纳米花的结构。尽管纳米花不能完全匹配人眼神经元，但它们的几何形状同样能让光线透过。而且跟简单的电极栅相比，它们能连接到更多的神经元。

Taylor的工作是一个重要提示：在帮助人们重见光明方面，科学家们取得了巨大进步，但仍任重而道远。成功的秘诀在于不要真的去把眼睛当做像相机：眼睛远并不像看上去那么简单。