導語
近日，《Nature Communications》上的最新研究展示了一種人工智能角膜。這種人工智能角膜，它具有像原生人類角膜一樣的保護、觸覺感知和光折射功能，還具有感官擴展（拓寬現有的感官體驗）和交互功能。通過由傳感器振蕩電路、氧化鋅錫（ZTO）人工突觸（AS）和電致變色器件組成的反射弧重建角膜的觸覺敏感度，實現機械和光信息編碼、信息處理和透射光的調節。這項工作提供了一種調整突觸可塑性和設計視覺神經假體的新策略，可用于開發強大的神經形態電子學和視覺神經假體，對神經形態電子學的發展和視覺恢復具有重要意義。
1、研究背景
角膜位于眼睛的前部，是一種透明結構，可提供聚焦能力并保護虹膜和晶狀體免受異物侵害。它是身體神經最密集的部分對外來污染物很敏感，觸摸角膜會引起不自覺地閉眼反射（角膜反射）。然而，角膜疾病可導致失明，全世界有超過1000萬人患有雙側角膜失明。最常見的醫療解決方案是供體同種異體角膜移植（即角膜移植術），但由于捐獻角膜的稀缺，它只能用于70名患者中的1人 ,且有1270萬患者正在等待。
為了解決這種短缺問題，人們開發出了符合光學和透明度要求的人工角膜替代品。例如，波士頓人工角膜 (Kpro) ，Aurolab Kpro ，MICOF Kpro。但是現有的人工角膜雖然有人類天然角膜的部分功能，如保護和光折射等，但它們不能重建觸覺，不能實現角膜反射。因此，開發一種具有觸覺、甚至具有感覺擴展和交互功能的“更智能”的人工角膜，對于恢復角膜失明患者的視力具有重要意義。此外，這些功能必須通過“隱形”內置電子器件來實現，以實現天然角膜的高透明度和低霧度。
2、研究概述
人工角膜反射弧概述
為了在神經通路層面構建人工角膜反射弧，該系統由三個核心組件組成：傳感器振蕩電路作為將外部刺激轉換為脈沖尖峰的受體，ZTO AS作為傳輸和集成信息的處理核心，以及電致變色器件作為響應突觸后電流的執行器。
圖1 角膜反射和相應的人工角膜反射弧的示意圖
圖片來源于論文
具有可調諧晶體結構的數字對準ZTO光纖
該研究為了模仿生物突觸，開發了離子凝膠門控突觸晶體管。它們由源極和漏極、數字排列的ZTO纖維通道和使用聚偏二氟乙烯-六氟丙烯共聚物 (PVDF-HFP) 的電解質組成。
該研究對使用不同Zn:Sn摩爾比（3:7、1:1 和 7:3）的ZTO AS進行了纖維結構，光學性能，化學性能及相應的突出性能進行了評估。ZTO纖維除了不含重金屬、無毒、成本低廉等優點外，其綜合光學性能好，證明了其在透明電子產品中的適用性。
圖2 a:生物突觸示意圖；b:使用ZTO光纖維的AS
圖片來源于論文
具有可調突觸可塑性的ZTO纖維人工突觸
配對脈沖促進（PPF）是生物系統中的典型突觸特征。在PPF中，人工興奮性突觸后電流（aEPSC）的振幅在兩個連續突觸前尖峰的第二個之后比在第一個之后更高。通過施加一對由不同時間間隔分隔的尖峰（2V，50ms）來量化三個ZTO AS的PPF。研究關于突觸可塑性的實驗結果表明，通過調整Zn:Sn摩爾比，可以輕松地在短期可塑性（STP）和長期可塑性（LTP）之間調節塑性。生物突觸可以充當過濾器來處理動態實時信息。該研究驗證了三個ZTO AS的高通濾波特性，結果表明該器件具有高通濾波特性。尖峰持續時間依賴性可塑性（SDDP）和尖峰電壓依賴性可塑性（SVDP）是突觸學習和記憶中的基本規則。三個ZTO AS的SDDP是通過調整突觸前尖峰的持續時間獲得的。重復刺激后，ZTO-3:7 AS在強烈刺激后保留了aEPSC，因此表現出LTP。然而，ZTO-7:3和ZTO-1:1AS的aEPSC在短時間內衰減到初始值，因此它們僅具有STP。該研究還展示了ZTO纖維AS在加密通信和巴甫洛夫聯想學習中的潛在應用。因為該研究的突觸特性表現出優異的抗彎曲性（彎曲2000次后變化<7%），因此它在柔性電子產品中也具有潛在的應用。
圖3 刺激下突觸信號傳導的示意圖：生物突觸 ( a ) 和 ZTO 纖維 AS ( b )
圖片來源于論文
具有觸覺的人工智能角膜
在神經學檢查中，通過使用棉簽觸摸角膜來誘發角膜反射。角膜反射檢查的價值在于確認神經通路的完整性。感覺信息通過三叉神經傳輸到三叉神經脊核。然后，信息從三叉神經脊核通過它們之間的神經傳遞到雙側面核。最后，傳出信息通過面神經傳輸至雙側眼輪匝肌（作為執行器）并誘導其收縮。該研究構建了一個人工角膜反射弧，其中包含振動傳感器振蕩電路、ZTO-3：7 AS、放大器電路和一對電致變色器件。振動傳感器-振蕩電路作為接收器將機械刺激轉換為電脈沖，ZTO-3:7 AS作為處理核心來傳輸和集成信息，放大器電路輸出所需的電壓來操作執行器，以及電致變色裝置充當響應突觸后電流的執行器。研究結果表明人工角膜反射弧構建成功，可用于模擬神經檢查。人工角膜反射弧具有像天然人類角膜一樣的保護、觸覺感知和光折射功能，并且還可以模仿眼輪匝肌的收縮。它比人類原生角膜和無法感知觸覺刺激的傳統人造角膜更加智能。因此，該研究將人工角膜反射弧描述為具有觸覺的人工智能角膜。
圖4 a：角膜反射檢查示意圖（左）和角膜反射過程（右）。b：機械刺激引起的角膜反射示意圖。c：響應機械刺激的人工角膜反射弧的配置。
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人工智能角膜的感覺擴展和交互功能
為了提高具有觸覺的人工智能角膜的智能性，該研究通過使用光傳感器振蕩電路來取代振動傳感器振蕩電路，賦予其光感知能力。人工智能角膜實現了感覺拓展，獲得了感知和響應外界光刺激的能力。研究結果表明，電致變色執行器成功地模擬了人眼的打開和關閉狀態，可以實現透射光的調節和對人眼的保護。此外，電致變色致動器的透射率可以適應環境中光強度的變化。透光率的光適應表明，人工智能角膜可以與環境相互作用，為眼睛在不斷變化的環境中提供額外的自適應保護。因此，人工智能角膜同時實現了感官擴展和交互功能。
作為概念驗證，該研究還使用了機器人配備了人工智能角膜。人工智能角膜在邏輯上與人類神經系統兼容，復制了人類原生角膜的保護、觸覺感知和光折射功能，并擴展了光感知和交互功能。未來新型人工智能角膜的發展趨勢將朝著生物相容性、穩定性、小型化、高集成化方向發展。經過開發和優化，人工智能角膜可能適合移植到角膜失明并等待醫療干預的個體中，從而緩解供體角膜的短缺。成熟的人工智能角膜在神經修復和視力康復方面具有潛在的應用前景。
圖5 a:人眼的光感知示意圖。b:配備人工智能角膜的機器人示意圖。c:響應光刺激的人工角膜反射弧的配置。d:光傳感器振蕩電路的輸出尖峰頻率與照度的關系。e:光刺激下人工智能角膜各部分信號輸出隨時間變化的統計曲線。f , g:電致變色執行器的數字圖像以及弱光( f) 和亮光 ( g )下人眼的相應示意圖。h:配備人工智能角膜的機器人的數字圖像。
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該研究開發了一種人工智能角膜，復制了人類原生角膜的保護、觸覺感知、光折射等功能，并擴展了光感知和交互功能。為了實現這些功能，通過集成傳感器振蕩電路、ZTO AS和電致變色器件，構建了能夠實現機械和光信息編碼、信息處理和透射光調節的人工角膜反射弧。無毒、低成本的無重金屬ZTO被制成數字排列的長且連續的織物圖案，具有高透光率（99.89％）和低霧度（0.36％），以確保光學性能人工突觸。通過調節ZTO纖維的晶相結構，可以輕松實現短期可塑性和長期可塑性之間的可調節突觸可塑性，并進一步用于加密通信和聯想學習。未來，人工智能角膜的生物相容性、穩定性、尺寸和集成度必須得到優化。成熟的人工智能角膜可能在神經修復和視力恢復方面有應用。
參考文獻：Qu, S., Sun, L., Zhang, S. et al. An artificially-intelligent cornea with tactile sensation enables sensory expansion and interaction. Nat Commun 14, 7181 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-42240-3
