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带上你的眼睛

February 21, 2012 in 科普文章

带上你的眼睛

文 linki

“可现在不一样了，记得吗，刚才西边有云的，现在那些云可能飘过来了，月亮正在云中时隐时现呢……想想草原上的光和影，多美啊，那是另一种音乐了，求你带上我的眼睛出去吧！”

刘慈欣的《带上她的眼睛》是一篇充满想象力和美感的科幻小说。一位年轻的女研究人员，因为意外流落到了地心世界，几乎没有可能再回到地面。在无尽的孤独中，唯一使她与外部世界保持一丝感性联系的，是一双特别的“眼睛”。这其实是一副传感眼镜，戴上它，你所看到的一切景象会转化成超高频信息波发射出去，被远方另一个戴同样传感眼镜的人接收到。他能看到你所看到的一切，就像你带上了他的眼睛一样。

这篇小说发表于1999年，十几年过去了，这样的“眼睛”尚未成为现实。不过，对于身处外太空或者地心深处的人来说，想看到地面上的景色应该并非难事，技术的进步一直在延伸着信息传输的距离；而对于眼睛已经衰老，甚至失明的人来说，想摆脱黑暗却不是一件简单的事。全世界大概有一亿人饱受着视网膜疾病的折磨。对于大多数人来说，生命就是一个从光明稳步走向黑暗的过程：眼睛后部复杂的神经元细胞层渐渐衰弱，越来越难以捕捉到光子并将其翻译成大脑能解读的电信号。即使在医学技术发达的今天，人类依然无法摆脱一些视网膜衰退疾病的困扰，一如皮肤的皱纹和发白的头发，唯一不同的是我们更害怕色彩和光明的失去。

人类的视网膜。图片：iStockphoto

近年来的研究给那些正将或者已经在黑暗中挣扎多时的人们带来了希望。有科学家试图向眼睛中注射带有信息的分子，激发具有光收集功能的感光细胞重新开始生长；另一些人则想着把能工作的基因片段连接到视网膜细胞中，以恢复其功能。还有许多的研究者想到了另外的途径，他们相信技术的力量，为什么一定要修复呢？换个方法，把相机植入到眼睛中，代替视网膜的功能，不也是可以的吗？

从上世纪七十年代开始，科学家就在尝试开发具有视觉能力的假眼睛。今年春天，欧洲批准了第一个商业应用的“生物眼睛”，即加州的第二视力（Second Sight）公司生产的阿尔戈斯2号（Argus II）。在希腊神话中，阿尔戈斯是一位百眼巨人。阿尔戈斯2号是在一副特制的镜片中放置了摄像机，其拍摄到的影像，在转换成无线信号后，传输到一个6*10px的网格电极。电极就连接在眼睛后面，会刺激视网膜上的神经元，将二级信号传送到大脑。

一个60像素的画面和高清电视比起来相去甚远，但与残存的视力比起来则是天壤之别。临床试验中，戴上阿尔戈斯2号的病人能够看清大门，能分辨出8种颜色，能读出用大字体写成的短句。而且，如果以从前的技术进步为鉴的话，可以预见在不久的将来，这套价值10万美元的设备很可能会变得十分普及。研究人员已经开始试验不需要外在摄像机的人工视网膜，不需要拍摄和二次信号，而是让光子直接撞击到视网膜上的感光阵列。总部位于伊利诺伊斯的Optobionics公司已经设计出包含5000个光感受器的实验品。

市场上的数码相机产品可以为未来的技术进步提供启示。我们的视网膜在1100平方毫米的面积上，分布有1亿2700万个光受体。相比之下，目前最先进的摄像头上，有1660万的光感受器，分布在1600平方毫米的面积上。当然，这一数字近年来增长得很迅速。但简单的像素堆叠并不能与人类眼睛丰富的视觉体验相提并论。正如奥勒冈大学的物理学家及视觉研究者理查德·泰勒所说，要创造出真正的人工视网膜，工程师和神经学家们还必须想出比植入摄像机更高明的方法来。

将眼睛视作生物的摄像机是一件很自然的事情，在某些方面，它们也确实是。当某幅图像的光线从我们的瞳孔穿过之后，最终会在视网膜上形成一幅翻转的画面。在相机上也会发生同样的事情。眼睛和相机都具有能调整入射光线路径的“镜头”，能使画面更加清晰和锐利。数码革命已经使相机更加像眼睛。与从前用胶片不同，数码相机是用感光的光电二极管阵列来捕捉光线，这与眼睛中的光受体如出一辙。

然而当我们再仔细看的时候，这种相似性便消失了。相机是完全符合欧几里得几何的，工程师一般会将光电二极管设计成细小的方块，再将其放置于规则的网格空间上。现在的大部分人工视网膜也是同样的设计，来自光电二极管的脉冲信号要通过一个矩形的电极阵列，才能传送到神经元中。与之相比，视网膜的神经元网络则更像是一朵雪花，分枝上还有分枝，以卷曲的形态覆盖在视网膜上。这种不匹配意味着当医生们把电极网格接到视网膜上的时候，大部分的线路都不能连通到神经元上，它们的信号也就无法到达大脑。

一些工程师提出，把电极做大一些，联系更紧密一些，从而扩大接触的面积。但这一方法存在着根本性的障碍。在人类的眼睛里，神经元位于光受体的前方，因其雪花似的形状，还是有足够的空间让光线通过。而一个装有大电极的人工视网膜，则会挡住它本身想要探测到的光线。另一方面，人类的光受体也很奇妙：它们是束状的。我们看到的大部分光线其实是从视网膜中央，一个针头大小的小窝穿过去的。小窝中密布着光受体。我们对世界的“锐利”观察就来自于此。光线在小窝上会形成外围模糊的图像。而相机里捕捉光线的光电二极管，则是平均分布在整个画面上。

在观察这个世界时，我们不会感觉到像是从一个透镜往外看，因为我们的眼睛一直处于运动中。我们的焦点不断跳跃，使视网膜小窝能够捕捉到视野中不同的部分。眼睛这种跳跃的距离具有很难察觉的数学规律：频率越高，距离越短。也就是说，眼睛会时不时做较大的跳跃，但更多的时候是小跳跃，甚至是更小的跳跃。这种粗糙、碎片化的方式，称为“分形”，是一种对大空间进行观察的有效方法。有趣的是，这与昆虫寻找食物的飞行路线具有极高的相似性。我们的眼睛，同样也是在有效地搜集视觉信息。一旦眼睛捕捉到光线，视网膜的神经细胞并不是直接把信号传给大脑，而是先对其进行加工，屏蔽或者加强周围神经元对观察方式的调整。它们能提高亮区和暗区的对比度，有点像我们在对图片进行即时的photoshop。这种图像处理过程很可能是进化的产物，能使动物们更快地感知到物体，尤其是背景模糊的时候。

相机只是被动地把看到的都记录在一张图片上，而我们的眼睛则会把最重要的信息发掘出来，以让大脑做出最快的决定。目前科学家只能推测戴上人工视网膜之后会看到什么，但无论上面有多少电极，这样的设备都无法恢复视觉的体验。没有视网膜先进的“图片处理”功能，它所能提供给大脑的只是一串串快速而又含糊的信息流。

奥勒冈大学的视觉研究者泰勒还提出，即使最简单的人工眼都能给人造成压力。他的结论来源于一项观察不同图形的实验。被试者在看过各种形式，或简单，或不规则的碎片状的图形之后，被要求描述这些图形给他们的感觉。他还测量了压力对诸如皮肤电流活动等生理指标的影响。结果表明，碎片化的图形和简单的图形比起来，能降低60%的压力水平。泰勒猜测这种让人平静的效应与眼睛的运动方式，即不规则的碎片化形式有关。值得注意的是，大自然的很多景观，如森林、云朵等，也常以碎片化的形式出现。树木的枝干上会出现分枝，分枝上再长出叶子。我们的视觉其实与自然世界是一致的。

人工视网膜其实只是简单地模仿了数码相机里的光感受器，让人能够以相同的清晰度看到视野中的每一部分。这种方式不需要移动眼睛，不能以碎片化的形式获取信息，因此也就不会产生任何减小压力的作用。

泰勒认为，解决方案在于把人工视网膜做得更加逼真。光敏元件要能与内置的反馈机制整合在一起，产生锐化或聚集的效果，从而丰富图像中心的细节。常规的电极与非常规的神经元之间的不匹配，由此也可能得到解决。泰勒及其团队正在研制能够与下一代人工眼整合在一起的新型回路，这种回路可以自发地分枝，形成泰勒所说的“纳米花”的结构。虽然纳米花并不能完全与眼睛的神经元相匹配，但它们的几何形状同样能使光线穿过，与普通的电极网格相比，它们能接触到更多的神经元。

科学家们在恢复视力的征途上作出了很多努力，但未来还有很长的路。成功的秘诀或许在于，千万别把眼睛和相机的比喻太当真，事实上它们比眼睛还差得很远。