他失明40年，只因戴上了这副护目镜，现在竟能数清斑马线 | Nature子刊
明敏 子豪 发自 凹非寺
量子位 报道 | 公众号 QbitAI
他，视力障碍40年，几乎全盲。
现在，却只因戴上了一副黑科技眼镜，竟然连斑马线有几条都看得清！
不要七八年，不要三四年，只需七个月，就能重拾光明！
到底是怎样一种黑科技，竟有如此大的“魔力”？
原来，这是一副特制的光遗传学护目镜，由匹兹堡大学的眼科专家团队亲手打造。
要知道，这位病人所患有的，是叫做视网膜色素变性 （RP）的视力疾病，只能感知到微弱的光线。
而这种疾病堪称眼科界的“世界性难题”之一，还被列入我国《第一批罕见病目录》，治疗手段十分有限。
看个数据就懂了：
截止2019年，在全球200多万患者中，用上人工视网膜的仅有350名，基因疗法也只适合不到5%的患者。
难治，是真的难治。
但就是这么一副护目镜，却打破了如此局面。
这项研究也因此登上了《Nature-Medicine》。
眼镜一戴，光明重见
所以，有了这副护目镜后，患者的视力到底提升了多少呢？
研究人员设计的这几个小测试可以告诉我们答案。
首先他们测试了患者的感知、定位和触摸能力。
在一张白色桌子上，分别放置了1个笔记本和1个订书钉盒，患者在3种情况下接受测试，分别是：自然双眼、受治疗单眼裸眼、佩戴护目镜。
在双眼裸眼情况下，患者无法感知到任何物体；
△以下实验图均来自：Institut de la vision
而佩戴护目镜后，患者能很好地感知、定位、触摸到体积较大的笔记本，也就是说他能够看到笔记本。
对于更小一点的订书钉盒，成功率就没有这么高了。
第二项测试，则要求患者在感知、定位的基础上，还能准确计数。
也就是说不止要看到，还要看清楚。
研究人员要求患者数出桌子上放了几个杯子，并指给他们。
每个杯子（直径6cm，高度6cm），放置在患者前方66cm的位置：
和第一项试验结果有些相似，在自己完全裸眼的条件下，患者仍旧无法感知到物体；
佩戴了护目镜后，在19次试验中：有12次他能感知到物体，12次能准确计数，11次可以准确定位物体。
此外，试验人员进一步探究了视觉恢复和神经元活动之间的联系。
甚至带着患者上街走了一圈，测试他在户外的视觉能力：
在佩戴护目镜的情况下，他甚至能数出路上斑马线有多少条。
以上都还只是患者佩戴上护目镜训练7个月后的效果。
在他之后的日常生活中，有了护目镜就可以看到盘子、水杯、电话等等非常多的物品。
显然，这种全新的光遗传学疗法，能提高患者的视觉水平，并改善他们的日常生活。
不仅如此，它还将治疗范围扩大到了晚期患者。
给细胞装上“光控开关”
在此之前，针对视网膜色素变性患者，曾有人提出Luxturna基因疗法：将健康的基因引入患者体内，从而生成具有正常功能的蛋白，改善视力。
但刚好携带这种特定的基因突变的患者，只有不到5%，并且它只适用于发病早期。
其他患者只能使用人工视网膜，比如：Argus II。
它是一种生物仿生眼镜，将光学感应器获取的视觉信息，传递到人工视网膜中，同时转化为电子脉冲形式，向大脑传递信号。
不过截至2019年，全球仅有350名患者使用了这种治疗手段。
而这一次，科学家们应用的是一种光遗传学疗法。
光遗传学（optogenetics）是一项多学科交叉的生物工程技术，涉及到光学、软件控制、基因操作技术、电生理等等。
这种疗法可以简单理解成，用遗传学的方法装一个“光控开关”——以某种光作为控制信号，利用光脉冲来控制细胞。
利用生物体内存在的视蛋白（一种可感受光刺激并产生光效应的光敏蛋白），光遗传学技术能够实现对细胞的精准调控，克服了许多方法存在的局限。
早在2005年，斯坦福的学者就进行了用光照射视蛋白，从而精准控制神经活性的研究。
此后，通过在小鼠的大脑插入光纤，研究人员成功实现了给小鼠植入记忆、消除记忆等操作。
△图源：Popular Science
虽然很多光遗传学技术，都应用于控制神经细胞，但它的灵感其实是来自视觉。
外界的光线经过视网膜，通过人眼中的感光细胞，转变为化学信号和电信号，再传输进入大脑。
此外，眼睛暴露在光线下，因此无需额外插入光纤或进行脑部手术，是进行光遗传学治疗的理想靶标。
让闲置细胞发挥作用
具体而言，研究人员把一种腺病毒相关载体，注射进这位58岁的患者视力更差的一只眼睛中，载体中编码了光遗传学感受器“ChrimsonR”。
这种载体将会作用于视网膜中的神经节细胞上。
RP患者体内的神经节细胞由于接收不到来自视网膜的光信息，长期处于一种闲置状态。
ChrimsonR的作用就是接收到光信息，并向大脑传递出信号。
所以在注射了这种载体后，患者体内的神经节细胞可以被重新启动，向视觉皮层输送信号。
下一步，需要向患者的神经节细胞发射光信号了。
考虑到蓝光对眼睛容易造成伤害，研究人员选择了琥珀色光，来刺激蛋白释放信号。
他们让患者戴上一个配有专用摄像头的护目镜，它能够将拍摄到的图片转换成单色图像（也就是琥珀色），然后再转换成595nm的光脉冲实时投射到视网膜上，以此来刺激蛋白质。
网友：未来就在这里！
对于这项研究取得的成果，业内人士好评如潮：
斯坦福大学的神经生物学和眼科学教授Andrew D. Huberman，直呼“Awesome”。
维克森林大学的教授Christo Constantinidis，致力于生物医学工程与神经科学研究，他也表示：
很高兴看到光遗传学应用在人类身上。
生物学家、生物伦理学家John Bryant，以及致力于机器学习、神经退行性疾病研究的神经生物学家Anatoly Buchin，也纷纷赞叹：
Beautiful work！未来就在这里！
也有网友表示，自己的家人就患有这种疾病，很高兴能看到这样的进步！
此外，《麻省理工科技评论》也撰写了相关文章。
One More Thing
光遗传学的研究涉及到神经科学的多个方面，包括：成瘾性研究、睡眠障碍、帕金森症、焦虑症等。
而此次研究证明，全新的光遗传疗法有助于恢复网膜色素变性患者的视觉功能。
团队表示，接下来，还需要进一步了解其安全性和有效性。
论文第一作者José-Alain Sahel是匹兹堡大学眼科系主任，同时还是法国科学院院士。
他表示：
随着全球疫情好转，他们应该可以很快开始下一步试验。
目前这位重见光明的患者只是接受了低剂量注射，之后他们将会对另外3名患者开展更高计量的临床试验。
除了这项研究外，目前还有两项使用光遗传学疗法治疗视网膜退行性疾病的试验，已经到了临床测试阶段。
第一个始于2015年，是基于韦恩州立大学的潘卓华的发现。这项试验现在由艾尔建公司（Allergan）赞助，已经报告了第一批患者的安全用药情况，但还没有报告治疗对他们视力的影响。
另一个，是一家与康奈尔大学威尔医学院Sheila Nirenberg实验室合作的公司Bionic Sight。
他们已经开始招募病人进行测试，该研究也将基因疗法与一套生物仿生眼镜相结合。
希望这些成果能够成为全球200万RP患者的福音。
或许，未来还会有其他细胞用上这种“光控开关”。
论文地址：
https://www.nature.com/articles/s41591-021-01351-4.pdf
参考链接：
[1]https://www.statnews.com/2021/05/24/scientists-use-optogenetics-for-first-time-to-help-blind-patient-see/
[2]https://www.youtube.com/watch?v=Xzu-ntTZrng
[3] https://twitter.com/
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