先进的计算机模型可以改进“仿生眼”技术

研究人员开发了一种通过实验验证的先进计算机模型，可在眼睛中再现数百万神经细胞的形状和位置，以及与它们相关的物理和网络性质。专注于将视觉信息从眼睛传输到大脑的神经细胞的模型，研究人员确定了潜在地提高了透明度并授予了未来视网膜假肢装置的颜色视觉。

凯克医学院的研究人员Founded in 1880, the University of Southern California is one of the world's leading private research universities. It is located in the heart of Los Angeles." class="glossaryLink ">USC.开发可能带来色彩视觉的信号，并改善盲人的假肢的清晰度。

有数百万人从退行性眼部疾病中面临着他们的视力。遗传障碍视网膜炎单独影响全世界4,000人中的1。

如今，有技术可供与那个综合征的人提供部分视力。Argus II，世界上第一个视网膜假体，再现了一部分眼睛的一些功能，以允许用户感知运动和形状。

虽然视网膜假肢的领域仍处于初期，但为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，看到对象的概述使它们能够通过增加的安全性来移动不熟悉的环境。

这只是一开始。研究人员正在寻求未来的技术改进，雄心勃勃的客观。

Gianluca Lazzi，Phd。信用：Gianluca Lazzi

“我们现在的目标是制定真正模仿视网膜复杂性的系统，”俄罗斯州凯尔科医学院和USC Viterbi工程学院的眼科和电气工程教授Gianluca Lazzi说。

他和他的USC同事通过一对最近的研究，使用了视网膜中发生的先进的计算机模型进行了一系列研究。他们的实验验证的模型再现了几百万人神经细胞的形状和位置，以及与它们相关的物理和网络性质。

“我们甚至无法看到的事情，我们现在可以模特，”Lazzi说，他也是USC技术技术研究所工程和主任的弗雷德H.Cole教授。“我们可以模仿神经系统的行为，所以我们可以真正理解为什么神经系统做到这一点。”

专注于将视觉信息从眼睛传输到大脑的神经细胞的模型，研究人员确定了潜在地提高了透明度并授予了未来视网膜假肢装置的颜色视觉。

眼睛，仿生和否则

要了解计算机模型如何改善仿生眼，它有助于了解一下愿景如何以及假肢如何运作。

当光进入健康的眼睛时，镜头将其聚焦到视网膜上，在眼睛后面。称为光感受器的细胞将光转化为通过视网膜中的其他细胞处理的电脉冲。处理后，信号沿着神经节细胞传递给神经节细胞，通过长尾，称为轴突的长尾，将来自视网膜的信息传递给捆绑在一起以构成视神经。

感受器和加工细胞在退行性眼部疾病中消亡。视网膜神经节细胞通常保持较长;Argus II将信号直接传递给这些细胞。

“在这些不幸的条件下，对神经节细胞不再有一个很好的输入，”莱格说。“作为工程师，我们问我们如何提供电气输入。”

患者接收具有电极阵列的微小眼植入物。当信号从它们上有相机的一对特殊眼镜传输信号时，这些电极被远程激活。相机检测的光的图案确定了电极激活了视网膜神经节细胞，向大脑发送信号导致包括60点的黑白图像的感知。

计算机模型法院新进展

在某些条件下，植入物中的电极偶然刺激相邻其目标的细胞的轴突。对于仿生眼的用户，这种轴突的偏离目标刺激导致细长形状而不是点的感知。在发表的一项研究中神经系统和康复工程上的IEEE交易，Lazzi和他的同事部署了计算机模型来解决这个问题。

“你想激活这个单元格，但不是邻近的轴突，”Lazzi说。“所以我们试图设计一种更精确的靶向细胞的电刺激波形。”

研究人员在单细胞水平以及庞大的网络中使用了两种视网膜神经节细胞亚型的模型。它们鉴定了一种优选靶向细胞体的短脉冲的图案，其轴突较少。

最近在期刊上的另一个研究科学报告将与相同的计算机建模系统应用于相同的两个小区子类型以调查如何编码颜色。

本研究建立在早期的调查后，显示使用Argus II的人们在电信号频率变化中感知颜色的变化 - 信号在给定持续时间内重复的次数。使用模型，Lazzi和他的同事制定了一种调整信号频率以创造色彩的感知的策略。

除了向仿生眼中添加颜色视觉的可能性，在基于系统的未来进步中可以与人工智能相结合，使人周围环境中的特别重要的元素，如面孔或门口，脱颖而出。

“有一条漫长的道路，但我们走向正确的方向，”莱比说。“我们可以用智慧赠送这些假肢，并且知识得到力量。”

参考：

“视网膜神经节细胞亚型通过电气刺激的颜色和细胞选择性”通过Javad Paknahad，Kyle Loizos，Lan Yue，Mark S. Humayun和Gianluca Lazzi，4月4日，科学报告。
DOI：10.1038 / S41598-021-84437-W

“靶向刺激视网膜神经节细胞的表骨折假体：MultiScale计算研究”由Javad Paknahad，Kyle Loizos，Mark Humayun和Gianluca Lazzi，192020年9月29日，神经系统和康复工程上的IEEE交易。
DOI：10.1109 / TNSRE.2020.3027560

关于研究

这两项研究都由同一USC研究团队进行。两者的第一作者是电气工程研究生Javad Paknahad。其他作者是Kyle Loizos和Mark Humayun博士，Argus II视网膜假肢的共同发明人。

这科学报告研究得到了国家科学基金会（1833288），国家卫生研究院（R21EY028744，U01EB025830）和预防失明的研究。

披露：Mark Humayun，MD，PHD，是Argus植入系列和接收的认证款项的共同发明人。