人的眼睛可以感知在400-780纳米波长范围的电磁波（即可见光），这部分信息约占人类获取外界信息的80%。对于视网膜光感受器损伤的失明患者，由于视网膜中的感光细胞退化而无法把可见光转换为神经信号传入大脑，因此患者几乎看不见，感觉处于黑暗之中。如何有效帮助这部分患者重获视觉，是生命医学的重大挑战。
近日，复旦大学脑科学研究院/脑功能与脑疾病全国重点实验室张嘉漪/颜彪团队联合复旦大学微电子学院周鹏/王水源团队、中科院技术物理研究所胡伟达团队以《碲纳米线视网膜假体增强盲鼠视觉》（“Tellurium Nanowire Retinal Nanoprosthesis Improves Vision in Models of Blindness”）为题的研究成果发表于国际顶尖期刊《Science》（https://www.science.org/doi/10.1126/science.adu2987）。Science杂志同期为这一重要进展发表题为《纳米线替代失去的视网膜细胞，碲纳米线网络可为人工视觉开辟新途径》（“Nanowires replace lost retinal cells —Tellirium nanowire networks could open up new avenues for artificial visions ”）的专评（https://www.science.org/doi/10.1126/science.ady4439）。
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张嘉漪团队长期致力于开发视觉假体帮助盲人患者重见光明，并围绕超级视觉赋能未来智人的理念，寻找从技术端到应用端的突破。团队前期开发的氧化钛人工视网膜假体（Nature Communications, 2018; Nature Biomedical Engineering, 2023）能有效恢复盲小鼠和猕猴的可见光视觉，其空间分辨率和时间分辨率均达到国际领先水平。
自然界中存在的电磁波波长覆盖10^-12m至10^3m之广，而人类视觉系统可感知的电磁波波长范围仅在10^-7m。人类视觉是否需要感知可见光以外的电磁波，也是值得探讨的问题。受到肖克利-奎伊瑟极限的限制，当前大多数光电材料存在光电转换弱、光谱吸收范围窄、能带宽度大等问题，限制了视觉假体临床应用价值。张嘉漪团队发挥医工交叉的优势，与复旦大学周鹏/王水源团队和中科院计物所胡伟达团队联合攻关，利用碲的窄带隙特性，实现更宽光谱范围的光吸收和更高效的光电转换，同时在纳米线合成制备过程中引入空位和替位形成内部不对称效应和外部界面效应，开发新一代的碲纳米线网络（TeNWNs）。独特的材料特性和结构设计使得TeNWNs够在零偏压下自发生成光电流，展现出极高的光电流密度（最高可达30 A/cm²），无需依赖外部设备，其高光学吸收率达到国际领先水平。
TeNWNs修复和增强盲人视觉机制及其光电性能
为了验证TeNWNs与生物视网膜神经环路耦合的安全性和有效性，张嘉漪团队在盲小鼠和食蟹猴上开展了系列视觉生理和行为学研究。贴合TeNWNs的盲小鼠视网膜神经节细胞（RGCs）能够稳定响应从可见光到红外二区的光刺激，且具有5 Hz的时间分辨率（稳定响应5 Hz的闪屏刺激）。由TeNWNs介导的RGCs感受野大小接近正常小鼠（163.02 degree²）。将TeNWNs植入到盲小鼠视网膜下，盲小鼠能够精准完成舔水奖励实验，且在行为箱内能够快速定位红外光源（940nm和1550nm）的位置、甚至分辨复杂的红外图像。随后，团队在食蟹猴上完成了TeNWNs眼底手术植入，在植入TeNWNs的食蟹猴记录到近红外光(940nm)刺激诱发的视网膜电图（ERG），植入后半年内无排异反应发生。TeNWNs稳定的光电特性和良好的生物相容性，使得其有望在未来应用于临床视觉修复，帮助失明患者重见光明的同时获得红外视觉感知能力，将人类视觉信息从可见光范围扩展到红外波段。
Science杂志同期发表的评论文章认为，由于近红外光更容易穿透组织，并且比可见光具有更高的安全阈值，TeNWNs的可见光-近红外响应特性有望使其在视觉修复中具有独特优势。文章也进一步指出了视觉修复领域目前面临的挑战，比如，病变视网膜的视觉信息处理能力会随着病程的进展下降，从而影响视觉修复的效果；视觉功能的改善以及对病人的生活质量的提高还比较有限，需要整个领域共同建立包括器件评估、病人选择、个体化植入时间等在内的行业标准。
张嘉漪团队这一工作为脑科学研究院/脑科学与脑疾病全国重点实验室推进脑科学与其他学科合作和医学应用转化所取得的一项重要成果。张嘉漪为该论文的共同通讯作者，脑科学研究院博士生姜承勇为论文共同第一作者，颜彪副研究员参与了视觉功能评估。该研究受到国家自然科学基金委、科技创新2030-“脑科学与类脑研究”重大项目、上海市基础研究特区和上海市重大专项等基金的支持。
