科學家開發光聲視網膜技術，為盲人重見光明提供新方案

不用電極，只用一束光，就能讓盲人重新產生視覺？

近期，美國波士頓大學程繼新教授、楊辰教授團隊與法國公司 Axorus、法國視覺研究所等團隊合作，在 Nature Communications 報道了一種光聲視網膜刺激技術。他們用一種無源的柔性薄膜，有望幫助部分失明患者恢復一定視覺感知能力，并且看得更清楚、視野更大。

值得關注的是，該技術實現了 51 微米的橫向空間精度，超越了目前臨床試驗中 PRIMA 光伏植入物所能達到的 100 微米，為視網膜退行性疾病患者恢復視力提供了新思路。

圖丨研究團隊主要成員（來源：受訪者）

通常來說，因視網膜色素變性、老年黃斑變性導致的視網膜退行性疾病通過攻擊視網膜中的感光細胞，使患者逐漸失去視力，并且基本不可逆。盡管當下已有視網膜假體進入市場或臨床試驗階段，但它們普遍面臨空間分辨率不足，恢復視野有限等挑戰。

需要了解的是，盡管失明患者的感光細胞已損壞，但后續的視覺信號輸出通路（雙極細胞和神經節細胞）仍保持活性。傳統方案是用電極直接電刺激，理論上每個電極需要有一根單獨的導線與之相連，以實現高集成度的控制，但這種方案植入體損壞率高，感染風險高，分辨率也相對較低。

這項新技術的路徑是：激光照膜-膜發聲-聲刺激細胞-細胞傳信號-大腦感知光。也就是說，通過超聲波喚醒神經，不用電線就能用光精準調控數千個點，這是傳統電極式方法控制難以實現的。

該技術適用于幫助那些已經失去視力的患者恢復一定程度的視力，主要包括兩類視網膜退行性疾病：一類是由基因導致的色素性視網膜炎，這類患者通常僅光感細胞死亡，其余的視網膜細胞仍健康完整；另一類是老年黃斑病變中，因黃斑不透光導致的視力減退。

現在，腦機接口技術在視覺假體方面也有相關進展，例如 Neuralink 公司通過侵入式電極，基于大腦皮層路徑幫助患者恢復視力。

該論文共同第一作者、波士頓大學研究助理教授李悅明告訴 DeepTech：“實際上，在從視網膜到大腦的神經通路中越早進行刺激，產生的視覺信息越完整（對比度、形狀等），越接近自然視覺。大腦本身是一個復雜的器官，盡管大腦皮層刺激也可產生信號，但這并不是最自然的運行方式。一方面能通過直接刺激輸入大腦皮層的信息非常有限，另一方面大腦需要時間‘學習’輸入的信號并進行解讀。為了提供更有意義的視覺信息，我們選擇的是視網膜路徑。”

一層“三明治”薄膜，讓光變成可控的“神經信號”

研究人員制備了一種僅 115 微米厚的柔性薄膜作為光聲轉換器，其結構類似“三明治”，中間層是碳納米材料蠟燭煙灰，上下兩層則是聚二甲基硅氧烷彈性體。薄膜的彈性模量經過精確調控至 2.12 兆帕，大幅提高了光聲轉換效率。這一彈性模量相較于電學或者光伏視網膜植入體，更接近視網膜組織的力學特性相，可最大限度減少植入后的免疫排斥反應。

光聲轉化的本質是能量轉化的物理過程：1,030 納米波長的近紅外激光經蠟燭煙灰的光吸收層轉換成熱能，然后再通過聚二甲基硅氧烷的熱膨脹和收縮性能轉化為頻率約 42 兆赫茲的超聲波脈沖，進而精準刺激尚能工作的視網膜細胞，最終在動物實驗中實現了視覺信號向大腦的傳遞。

圖丨柔性光聲薄膜的表征（來源：Nature Communications）

該技術利用了光聲優勢，通過用光產生聲波的方式，將超聲場局限在更小的范圍內，突破了超聲波空間分辨率受聲波波長限制的技術難題。

根據實驗數據，這種薄膜的光聲轉換效率能實現每微焦耳激光能量產生 26 千帕的聲壓。經測試，在距離薄膜表面 0.9 毫米處的峰值聲壓為 146.2 千帕，這一強度“剛剛好”：既能激活視網膜神經回路，又顯著低于傳統超聲換能器刺激視網膜所需的聲壓。

圖丨體內光聲植入物生物相容性研究（來源：Nature Communication

更關鍵的是，當該團隊在距離薄膜表面 34 微米處使用 50 微米直徑的光斑，能夠產生橫向寬度僅 51 微米的超聲場。這意味著，該技術可實現高分辨率的視網膜刺激。

李悅明解釋道：“50 微米的空間分辨率對應美國等國家法定盲與脫盲的判定標準（20/200），選擇這個數值也是希望證明我們的技術能夠幫助病人重獲接近盲人分界線的視力。”

最關鍵的問題：安全性和有效性能否同時成立？

研究人員首先在離體大鼠視網膜上證明了這種方法的效果。他們將薄膜放置在視網膜的光感受器側，通過 200 微米光纖傳遞激光脈沖，并用多電極陣列記錄視網膜神經節細胞的電活動。

實驗結果顯示，在野生型 Long-Evans 大鼠視網膜中，78% 的神經節細胞可對光聲刺激產生反應，其中 92% 表現為興奮性反應，平均響應頻率達到 66 赫茲，平均響應潛伏期 51 毫秒。

（來源：Nature Communications）

在 P23H 轉基因大鼠（注：一種只有感光細胞死亡的視網膜退行性疾病模型）視網膜中，39% 的神經節細胞仍對刺激產生反應，盡管響應頻率較低、潛伏期較長，但結果令人興奮：退化的視網膜的機械敏感性仍可保留。

實驗結果顯示，該技術機械指數僅 0.03，空間峰值時間平均強度低于 0.9 毫瓦每平方厘米，遠低于 FDA 的安全閾值。并且，在 40 秒內的最大溫度升高低于 0.52°C，這表明該技術在避免超聲刺激和部分光刺激可能產生的熱損傷方面風險相對較低。

實際上，光聲技術最大的優勢在于光能提供的能量密度顯著高于超聲，并能提供更高的空間分辨率。但是，此前這一優勢在大腦刺激場景中并未充分體現。

此前，研究團隊利用光聲技術對腦部神經刺激進行相關探索工作已有六年多時間，但始終面臨產生溫度或機械指數偏高等挑戰。由于視網膜是一種對壓力非常敏感的器官，當該技術應用在視網膜時，一切變得“恰好吻合”。

李悅明表示：“我們當時最擔心的是，這項技術會在視網膜中產生過多的熱量。當我們發現應用在視網膜比大腦效果更好時，整個課題組都感到非常興奮，這意味著該技術終于找到了更契合的應用場景。”

超越電刺激瓶頸：在 25 平方毫米上復刻“上帝之眼”

這項研究的創新之處在于，將光聲轉換機制應用于視網膜假體領域。與現有的電刺激假體相比，光聲薄膜的像素密度理論上能通過數字微鏡器件和多芯光纖實現百萬級，有可能覆蓋更廣泛的視網膜區域。與單純超聲刺激相比，光聲薄膜的超聲場由光照射位置決定，可有效避免復雜的超聲相控陣設計，且薄膜本身可貼合視網膜，受眼球運動影響相對較小。

據研究人員估算，如果采用 4f 投影系統將激光光斑縮小至 20 微米以下，再配合現有的光學工程技術，有望在覆蓋黃斑區 25 平方毫米的薄膜上實現接近人類視網膜生理極限的分辨率——2,500 像素每平方毫米。

目前，研究團隊已將兩項專利授權給 Axorus 公司，希望未來 5 至 10 年將該技術推廣至臨床應用。他們計劃在短期內聚焦于安全性試驗，例如確認植入器件后反復進行光聲刺激的過程中，是否會對視網膜造成損傷。另一方面，研究人員將繼續探索在動物實驗中是否能達到與物理空間分辨率相似的效果。

視網膜假體領域的發展，經歷了從電刺激到超聲波，再到光聲轉換的演進。這項技術為因感光細胞退化而失去光明的患者群體提供了一種新方案：它或許不會讓黑暗瞬間消失，但正在讓“重新看見”這件事，從幻想變成工程問題。

參考資料：

1.https://doi.org/10.1038/s41467-025-67518-6

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