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计算机模型促进了仿生眼技术的潜在改进(新闻)广州

时间:2021年11月25日

计算机模型促进了“仿生眼”技术的潜在改进

有数以百万计的人因为退化性眼病而丧失视力。仅遗传性视网膜色素变性视网膜疾病就影响全世界4,000人中的1人。

如今,已有技术可为患有该综合征的人提供部分视力阿古斯二世是世界上第一个视网膜假体,可重现视觉中必不可少的一部分眼睛功能,以使用户能够感知运动和形状。

尽管视网膜假体领域仍处于起步阶段,但对于全球数百名用户而言,“仿生眼”丰富了他们每天与世界互动的方式。例如,看到对象的轮廓使它们可以在陌生的环境中移动,从而提高了安全性。

这仅仅是开始。研究人员正在怀着雄心勃勃的目标,寻求对该技术的未来改进。

南加州大学凯克医学院和南加州大学维特比工程学院眼科学与电气工程专业教授吉安卢卡·拉齐说:“我们的目标是开发一种真正模仿视网膜复杂性的系统。”

他和他的南加州大学的同事利用先进的计算机模型对视网膜中发生的事情进行了近期研究,从而促进了研究进展。他们经过实验验证的模型可重现数百万个神经细胞的形状和位置眼睛,以及与之相关的物理和网络特性。

拉齐说:“我们以前甚至无法看到的东西,现在可以进行建模。”拉齐说,他还是工程学教授弗雷德·H·科尔和南加州大学技术与医学系统研究所所长。“我们可以模仿神经系统的行为,因此我们可以真正理解神经系统为什么会这样做。”

研究人员专注于将视觉信息从眼睛传递到大脑的神经细胞模型,研究人员确定了可能增加清晰度并为未来的视网膜修复设备提供色觉的方法。

眼睛,仿生的和其他

要了解计算机模型如何改善仿生眼,有助于了解一些有关视觉如何发生以及假体如何工作的知识。

当光线进入健康的眼睛时,晶状体会将其聚焦到眼睛后部的视网膜上。称为感光器的细胞将光转换成电脉冲,该电脉冲被视网膜中的其他细胞处理。经过处理后,信号被传递到神经节细胞,通过称为轴突的长尾巴将信息从视网膜传递到大脑,这些尾巴被捆绑在一起组成视神经。

在退化性眼病中,感光细胞和加工细胞死亡。视网膜神经节细胞通常保持更长的功能。Argus II将信号直接传递到这些单元。

拉齐说:“在这些不幸的情况下,神经节细胞的输入已不再充足。” “作为工程师,我们问我们如何提供电输入。”

患者接受带有电极阵列的微型眼植入物。当从一副带有照相机的特殊眼镜传输信号时,这些电极将被远程激活。相机检测到的光的模式决定了电极激活了哪些视网膜神经节细胞,向大脑发送信号,从而导致感知到包含60个点的黑白图像。

计算机模型推动了新进展

在某些条件下,植入物中的电极会偶然刺激邻近其靶标的细胞轴突。对于仿生眼的使用者来说,轴突的脱靶刺激导致感知到细长的形状而不是点。在发表于IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering的一项研究中Lazzi和他的同事,部署了计算机模型来解决此问题。

拉齐说:“你想激活这个细胞,而不是相邻的轴突。” “因此,我们试图设计一种更精确地针对细胞的电刺激波形。”

研究人员在单个细胞水平以及庞大的网络中使用了两种模型的视网膜神经节细胞模型。他们确定了短脉冲模式,该短脉冲模式优先针对细胞体,轴突的脱靶激活较少。

《科学报告》杂志上的另一项近期研究将相同的计算机建模系统应用于相同的两种细胞亚型,以研究如何编码颜色。

这项研究基于先前的研究,这些研究表明使用Argus II的人会随着电信号频率的变化而感知颜色的变化。Lazzi和他的同事使用该模型开发了一种调整信号频率的策略,以创建对蓝色的感知。

除了可以为仿生眼睛添加彩色视觉之外,在基于该系统的未来发展中,还可以将色相编码与人工智能相结合,从而使人的周围环境中特别重要的元素脱颖而出。

拉齐说:“路很长,但是我们正朝着正确的方向走。” “我们可以为这些假肢提供智力,而知识就是力量。”

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