搜狐科技《思想大爆炸——对话科学家》栏目第117期，对话复旦大学微电子学院青年研究员王水源。

嘉宾简介：

王水源，现就职于复旦大学微电子学院，担任青年研究员，硕士生导师、博士生导师职务。入选国家高层次青年人才计划，上海市青年科技英才扬帆计划、上海市超级博士后、上海市优秀毕业生、复旦大学“学术之星”等称号，研究方向为新型半导体在神经形态计算领域应用。

划重点：

1.视觉假体材料既要能高效激活眼底神经细胞，同时又需要它有宽波段的光响应，这两者恰好是矛盾的，但碲纳米线网络独特的材料性可以满足需求。

2.拓展人眼可见光谱范围，特别是向红外波段延伸，具有巨大的潜在实用价值。

3.团队在食蟹猴模型上开展了长达112天的植入实验，证明了碲纳米线假体植入具有很好的生物相容性与安全性。

4.猴眼与人眼有着巨大的差别，要想实现人类视网膜的高分辨率、全视野功能重建，还面临很多挑战。

出品｜搜狐科技

作者｜周锦童

编辑｜杨锦

近日，复旦大学周鹏、王水源团队，联合脑科学研究院张嘉漪、颜彪团队、中科院上海技物所胡伟达团队，借助脑机接口等技术，成功研制出了碲纳米线网络（TeNWNs）视网膜假体，并在Science杂志上发文。

据了解，该器件的光电流密度达到了当前已知体系的最高水平，并首次实现了国际上光谱覆盖最宽的视觉重建与拓展，范围横跨可见光至近红外II区。

无需依赖任何外部设备，这种假体不仅可以使失明的动物恢复可见光视力，还能赋予动物感知、识别红外图案的“超视觉”功能，这也为失明患者复明提供了新可能。

对此，搜狐科技对话了复旦大学微电子学院青年研究员王水源，听他从技术角度深入解读这项研究，并分享团队未来的研究规划与方向。

红外超能力假体“重现光明”

王水源首先解释了大家最关注的，研究是如何做到“无需依赖任何外部设备”的问题，同时也解读了碲纳米线网络材料的独特优势。

碲纳米线网络视网膜假体植入眼底后，通过材料内部缺陷和外部界面效应形成自发的非对称电场，这种结构在光照下可以直接将光子转化为电信号，不需要外部的电源或偏压。

此外，碲纳米线网络通过微创手术植入视网膜下腔，直接接触视网膜内核层（INL），产生的光电流直接刺激残留视网膜回路，也不需要眼外相机、电缆或电源模块等。

“我们所需要的视觉假体材料既要能高效激活眼底神经细胞，同时又需要它有宽波段的光响应，这两者恰好是矛盾的，但碲纳米线网络独特的材料性正好满足了我们的需求。”王水源解释道。

TeNWNs修复和增强盲人视觉示意图及作用机制 图片来自论文

不仅如此，王水源和团队还进行了多层级神经功能检测和行为学实验系统性验证。

当植入假体后，他们对失明的小鼠进行可见光和红外光的刺激，可以在视网膜神经节细胞（RGCs）中记录到光诱发的动作电位，同时还观察到显著的瞳孔收缩。

后续，他们又进一步地对小鼠视觉联想进行学习训练，在光刺激后舔水获取奖励，小鼠完成了光源定位和几何图形的识别，成功恢复了失明动物的可见光视觉。

“以小鼠模型为例，我们使用遗传性视网膜退化模型，通过瞳孔反射、学习行为多角度验证基础视觉恢复，在刺激-响应方面，精确了刺激参数包括波长、强度梯度及频率等，结合电生理与行为学多角度信号同步采集，这可以让我们的动物实验模型更为准确可靠。”王水源如是说。

此外，王水源还解释了碲纳米线网络视网膜假体的光电流密度是如何达到“当前已知体系最高水平”的。

他们通过缺陷与界面不对称性的协同设计，首次在零偏压下实现宽带光谱的自发大光电流。

具体来说，碲作为一种窄带隙半导体材料，具备从可见光延伸至红外II区（1550 nm）的宽谱吸收能力，这突破了传统硅基光电器件的波长限制。

另外，他们通过化学气相沉积引入锡（sn）替位缺陷和碲空位缺陷，打破了晶格的对称性，在零偏压下诱导自发大光电效应；同时，TeNWNs与视网膜细胞形成异质界面，进一步增强了内建电场。正是这几个方面的协同作用实现了视网膜假体的光电流密度的突破。

值得一提的是，这款假体覆盖了广泛的光谱范围，从可见光延伸至近红外区域，甚至还可以使植入假体的动物能够在黑暗中识别红外图案，拥有一种“超视觉”功能。

王水源解释称，这种“超视觉”功能主要体现在跨光谱感知能力上。他们在小鼠和食蟹猴身上都实现了自然视觉外的红外感知，比如失明的小鼠获得了红外光（940nm）空间定位能力，而猴眼视网膜电图显示明确的a/b波，也证明红外光信号被成功转化为生物电信号。

王水源和团队很清楚拓展人眼可见光谱范围，特别是向红外波段延伸，具有巨大的潜在实用价值。

“比如，红外光在夜间或烟雾、雾霾等能见度低的环境中相对丰富且穿透性更强，让假体使用者具备红外视觉能力，可以显著提升他们在这些挑战性环境下的空间感知、避障和导航能力，这对于行动辅助、夜间救援等场景意义重大。”王水源举例道。

计算范式与生物科学的融合

王水源还向搜狐科技分享了他们的研究初衷，当时他们团队意识到传统视网膜假体存在着依赖庞大外部设备、手术创伤大、感知光谱窄且无法利用眼睛自身神经通路的痛点。

同时他们还受到了生物视网膜工作原理的启发，即感光细胞能将光信号原位、高效地转换为电信号，并直接传递给下一级神经细胞，整个过程在视网膜内部完成，无需外部复杂处理。

“于是我们问自己，能否设计一种仿生的‘人工感光层’，植入视网膜下，直接替代退化的感光细胞，这就是我们最初idea的形成过程。”王水源如是说。

其实早在2021年读博期间，王水源就和当时所在的团队在国际上首次提出了单器件感存算功能的集成，真实模仿了视网膜完整架构，这也为本次研究的开展奠定了重要的基础。

王水源生动地形容2021年的工作是“电子视网膜的初啼”，而这次Science的研究则是“人工与生物视觉共生体”的诞生。

前面的研究解决了如何用硬件模拟视网膜智能处理的问题，而后者则实现了如何让硬件成为视网膜本身。正是有了他们前期对高能效类脑神经形态器件和电路的研究，现在才能实现这种从计算范式到生命融合的跨越。

当然这种“跨越”并非王水源一人之力就能完成，而是由微电子、脑科学研究院与上海技物所三方合作完成的。

从左至右：王水源、胡伟达、周鹏、张嘉漪 王水源供图

值得一提的是，团队还采用了“双轨制干预策略”，通过材料科学与基因工程的协同，为不同病程的视网膜病变患者提供了阶梯式的解决方案。

“基因治疗适用于病变早期，生物假体材料更适用于晚期，这覆盖了疾病的全周期。而且基因治疗和假体植入面临的不同风险也可以起到共享安全数据库的作用，进一步根据视网膜病变患者的病变程度，完善治疗方案，基因治疗和假体植入可以协同助力患者恢复。”王水源如是说。

谈及碲纳米线假体植入的生物相容性与安全性问题时，王水源称团队已经在食蟹猴模型上开展了长达112天的植入实验，他们通过位置保持和视网膜结构保全两个层面可以看到植入后112天，假体并没有明显位移。

不仅如此，植入假体后既保证了原有可见光视觉通路完整，同时通过EEG检测发现又没有异常的电位传导。

“最后我们通过排异反应量化得出结论：免疫反应限于短暂、可控的创伤愈合过程，并未触发适应性免疫应答。”

从仿生眼到赛博人

既然已经让小鼠和非人灵长类动物“重见光明”了，大家最关心的问题还是什么时候可以进入临床应用？

对此，王水源称目前暂时不会进入临床试验。

“尽管现有的纳米线网络在猴眼中工作良好，但人类视网膜相比于猴眼面积更大、曲率更复杂，还需要进一步开发适配人类视网膜的器件；而且现有的视网膜假体都是针对视觉修复的，我们的研究新增红外感知，这属于人体功能拓展，还需要考虑可见光与红外串扰的问题。”王水源解释道。

因此，暂不进入临床试验是他们团队科学审慎的选择。猴眼与人眼有着巨大的差别，要想实现人类视网膜的高分辨率、全视野功能重建，他们还会面临很多挑战。

“人类中央凹的感光细胞密度是猴子的10倍以上，如何制备大规模且性能均一的器件还急需研究，另外如何平衡自然视觉信号与红外增强信号也是另一个需要解决的问题。”王水源如是说。

谈及目前我国在视觉假体领域的研究如何，王水源认为近年来我们取得了显著的突破，尤其在视网膜假体和脑机接口方向已经形成了独特的技术路线，部分成果甚至超越了国际现有的产品。

“比如我们的工作突破了波长范围至红外光波段，相比于Second Sight的Argus II，我们不需要外部设备供电，可以说是革命性突破。”

“再比如，暖芯迦的核心芯片能在眼底黄斑区极小的3mm×3mm面积里集成320个电刺激通道与320个神经记录通道，达到了国际同类产品的最高水平，在动物实验中，盲猴成功恢复抓取物体能力，但是都还没有在人体上进行临床试验。”王水源举例道。

对话最后，王水源称虽然现在进展显著，但未来仍然还需要在长期生物相容性与稳定性、神经信号耦合效率及临床转化等方面进行突破，这样才能实现我国在视网膜假体领域进一步转向“领跑”。