多亏了基因疗法和光遗传学——一种依靠光来控制神经元的神经科学游戏规则改变者——以前的盲人可以做到这一点现在部分地看世界.他是在眼睛里的光敏藻类蛋白质的帮助下完成的。

经过训练和一副定制的护目镜,这名男子可以看到人行横道上的白色条纹,并识别不同的物体。当他的混合眼睛在一个笔记本、书钉盒和一堆玻璃杯等多个物体上跳动时,新的光传感器就会产生活动,他的大脑视觉皮层也会对藻类蛋白质进行重新调整。他的视力提高到可以指着一个物体,伸手抓住它,并数它的数量。

换句话说,他的人类大脑适应视觉信息藻类光传感器,并能够理解它。

该患者是临床试验先锋(PIONEER)的一部分,该试验结合了基因疗法和光遗传学来恢复视力。截至2020年底,已经有7名患者被注射了一种携带藻类感光基因的病毒。由于Covid-19,只有这一位患者能够完成培训,但更多的成果将会出现。

匹兹堡大学(University of Pittsburgh)和索邦大学(Sorbonne University)的José-Alain Sahel博士说:“我希望这将是一个重大突破。”他与巴兹尔大学(University of Basil)的boond Roska博士共同领导了这项研究。

为什么海藻?

这名58岁的男子患有色素性视网膜炎(RP),这是一种遗传性疾病,会逐渐侵蚀视网膜中的感光神经元。他的视力在40年前就被诊断出来了,现在已经严重恶化,以至于他几乎察觉不到闪光。

视网膜基本上是位于眼睛后部的多层微型计算机。当光线照射到视网膜上时,视网膜的顶层将光子转换成电信号——大脑的语言——这要归功于一组分布在视网膜表面的称为视紫红蛋白的蛋白质。

这些信号通过神经网络传递到眼脑连接处,神经节细胞。这些细胞接收来自其他视网膜细胞的数据——比如那些编码颜色的细胞——并伸展它们长长的“手臂”,形成眼睛和视觉皮层之间的主要通道。的大脑处理传入的数据并将其带入我们的意识,然后看一个,我们就能理解我们所看到的。

在视网膜炎中,细胞的光敏层被损坏,但视网膜的其余部分保持完整。那么如果我们取代我们的人类光敏蛋白质,罗地富蛋白,替代方案是什么?

进入藻类。不同种类的藻类有一组令人印象深刻的光感应蛋白质,引导它们向光移动。十多年前,斯坦福大学的一个团队灵光一闪:如果我们把编码这些藻类蛋白质的基因植入哺乳动物的脑细胞,并赋予它们对光作出反应的超能力,会怎么样?

结果是光遗传学这是一种思维控制技术,已成为神经科学最流行的工具之一。在这里,科学家们使用基因工程将不同类型的藻类蛋白质放入老鼠的大脑中。然后,他们可以用植入的光纤通过脉冲特定波长的光激活神经元。这些增强的脑细胞会自然地做出反应,产生一个电信号,通过老鼠的大脑传递和解释。

听起来是不是很熟悉?

如果一种藻类蛋白质可以人为地让大脑中的神经元将光转换为电子信息,为什么不能对受损的眼睛做同样的事情呢?

混合的眼睛

在这项新的研究中,研究小组决定使用一种藻类感光蛋白ChrimsonR,它在琥珀色的光线下会激活。2014年,麻省理工学院(MIT)的埃德·博伊登(Ed Boyden)博士开发了这种基因变体,它的毒性比其他变体更小,已经成为光遗传学的宠儿。

Sahel说:“这种波长具有低光毒性,是光遗传学中一个非常重要的参数。”

编码ChrimsonR的基因被打包进一个病毒传递系统,并注射到这名男子功能较差的眼睛中。该团队的目标是神经节细胞,即眼睛和大脑之间的联系。

萨赫勒说:“我们的计划是……改造他剩余的神经节细胞,”那些仍然连接着他的视觉大脑的神经节细胞,并“利用光遗传学来激活它们。”

这些外源蛋白花了几个月的时间才在病人眼中完全表达出来。与此同时,该团队还在研究另一个问题:开发一种光源,能把我们五彩缤纷的世界变成单色图像,让chrrimsonr能够探测到——记住,它只激活琥珀色的光——这样它就能尽可能多地传递视觉信息。

他们的解决方案是一副配有神经形态摄像头的护目镜,它可以从我们的视觉世界中捕捉图像,并逐个像素地分析光强度的任何变化。然后,相机将图像转换成琥珀色的单色图像,并将其投射到视网膜上。这类似于电影放映机点亮影院屏幕。

然后,病人经过多次练习,恢复了转动眼睛的本能。一旦他意识到自己凝视的方向,他就能改变眼睛直视护目镜投射的光束。

的第一反应?振实。

在那里,病人在他面前放置了多个物体进行测试。没有护目镜,他什么也看不见。但一旦戴上护目镜,他就能感觉到一个物体并伸手抓住它。当接受计数任务时,他戴上护目镜的那只经过治疗的眼睛显示出足够清晰的图像,让他可以用手指指向物体,并在63%的情况下正确数出它们。

该团队还尽可能真实地进行了这些测试。我们的世界在照明方面有很大的变化,这取决于季节、天气或你家里的灯泡。在这里,他们展示了三种不同对比度下的物体——例如,一种浅灰色冲刷着物体,类似于一张老照片。即使在低对比度下,病人也能够用他的新藻类增强的眼睛探测到物体。

自适应的大脑

它已经很疯狂,将藻类蛋白粘在某人的眼睛中可以恢复一些视觉。大脑可以调整到外来传感器并解释这些信号是甚至疯狂。

当病人接受训练以适应他的新混合眼睛和护目镜时,研究小组还使用脑电图(EEG)测量了他的视觉皮层的活动,脑电图是一种类似于游泳帽的系统,通过头皮捕捉大脑的电信号。令人惊讶的是,他的视觉皮层学会了读取来自藻类传感器的信息。研究结果显示了一个玻璃杯是否被放在他的面前,在电模式上有明显的区别。

用脑电图测量盲人在执行任务时的脑电模式。资料来源:José-Alain Sahel和Botond Roska,自然医学

“到目前为止,我一直认为光遗传学是科学家的一种工具,这是它的主要影响已经感受到的地方。但如果它能直接用于人类,可能会在新型脑-机接口方面开辟许多新领域,”没有参与这项研究的Boyden说。

随着更多的患者正在等待,该团队迫切希望恢复PIONEER试验。一个主要的问题是,在不有毒的情况下,有多少ChrimsonR进入眼睛。目前的试验从低剂量开始,然后逐渐增加——全都没有明显的副作用,而且改善持续了至少一年。

目前,病人还没有识别人脸的视觉清晰度,而且他视觉中的线条有点弯弯曲曲。他还有隧道视力,部分原因是基因疗法很难到达视网膜的其他部分。研究小组下一步计划在日常生活中试验该系统。他们还会根据每位志愿者的情况调整护目镜,使其与正常的生物过程相匹配,并为他们提供最佳的视力。罗斯卡说:“我们正在向患者学习……他们告诉我们他们看到了什么,以及他们如何使用恢复的视力。”

图片来源:免费照片Pixabay.

范雪来,神经科学家,科学作家。她在不列颠哥伦比亚大学(University of British Columbia)完成了神经科学博士学位,在那里她开发了神经退化的新疗法。在研究生物大脑的过程中,她迷上了人工智能和所有的生物技术。毕业后,她搬到加州大学旧金山分校(UCSF)研究让衰老大脑恢复活力的血液因子。她是…

跟雪莉: