罗彻斯特大学探索视力恢复前沿技术
利用神经科学、光学及医疗保健领域的跨学科优势，罗彻斯特大学的研究人员在探索视力丧失机制与视力恢复方面走在国际前沿。如...
利用神经科学、光学及医疗保健领域的跨学科优势，罗彻斯特大学的研究人员在探索视力丧失机制与视力恢复方面走在国际前沿。
如今，佩戴眼镜或隐形眼镜已成为普遍现象，尤其在年长群体中更为常见。据统计，美国国家卫生研究院估计近93%的70岁以上老年人依赖光学镜片矫正视力。然而，并非所有与年龄相关的视觉问题都能如此简单地得到解决。
“视觉问题非常复杂，其运作机制我们尚未完全理解，更不用说预防这些复杂的眼部疾病了。”罗彻斯特大学医学中心眼科助理教授朱丽叶·麦格雷戈指出。
研究发现，斑马鱼等动物在眼部受伤后，其眼睛和大脑具备再生能力，但人类却缺乏这种自我修复或再生的机能。位于眼底、负责感光、处理视觉信号并向大脑传递信息的神经细胞尤其脆弱，在年龄相关性黄斑变性和青光眼等常见疾病中极易受损。一旦这些神经细胞损伤并丧失功能，便无法再生或修复。
“我们最理想的目标是预防这些疾病，但以目前的医学水平还难以实现，”麦格雷戈坦言，“我们虽能尝试延缓病情发展，可一旦神经细胞死亡，除了帮助患者适应视力下降，医学能做的十分有限。尽管研究不断拓展我们对视觉的认知，仍有大量未知领域等待探索——例如在丧失高质量视力后，是否可能使其恢复，这正是当前积极探索的方向。”
视觉的运作机制
“角膜和晶状体如同相机镜头，负责聚焦光线。”
当然，视觉系统、眼睛及其与大脑的协同作用远比相机复杂。然而，这一物理结构与此精密的感官系统确有一些相通之处。如同相机，光线经过眼睛的屈光系统，最终落在光感受器上——即视网膜中的感光细胞。虹膜调控进光量，视网膜神经元进行初步信息处理，继而将编码后的视觉信号传递至大脑。
现代智能手机相机通过拍摄多帧图像，并利用图像间的运动信息合成更高质量的影像。同样，人眼运动在视觉形成中也至关重要。罗彻斯特大学感知实验室的研究人员发现，微小的无意识眼动是我们能够持续“看见”的关键。“眼动通过将空间信息转化为视网膜上的时间变化来促进视觉形成。这些输入信号强烈驱动着神经元的反应，”脑与认知科学系教授、视觉科学中心成员米歇尔·鲁奇解释道。
何为失明？
人们对“失明”常存有误解。麦格雷戈认为，更恰当的理解应将其视为一个从轻微视障到完全无光感的连续谱系。一个人视力丧失的类型及其对生活的影响，取决于受损的眼部或脑区结构、病变严重程度以及个体的适应能力。
在许多情况下，现有疗法能最大程度减少视力损伤。但对某些患者而言，除了辅助支持外，医学手段仍十分有限。尤其挑战的是治疗影响眼睛和大脑神经元的疾病。为此，大学内多个实验室——包括弗拉姆眼科研究所和德尔蒙特神经科学研究所——正致力于揭示视力丧失的成因。然而，视网膜神经元退行的机制在许多方面仍是未解之谜。
借助先进的遗传学与细胞生物学技术，利比实验室的团队得以研究青光眼（一种常见的年龄相关性眼病）中导致神经功能障碍与细胞死亡的多种因素。与此同时，辛格实验室利用人类干细胞构建年龄相关性黄斑变性模型。通过分析与该病及罕见遗传性黄斑营养不良相关的基因，罗彻斯特大学的研究人员已识别出一种在该病早期阶段起关键作用的蛋白质。“目前针对黄斑变性的治疗方法效果有限，且常伴随明显副作用，”与弗拉姆眼科研究所及视觉科学中心合作的鲁奇拉·辛格表示，“我们的研究旨在发现新的治疗靶点，以期有望阻止疾病进展。”
基础研究如何指引视觉恢复
视力丧失可能发生在人生任何阶段，成因多样——遗传、环境暴露、外伤或进行性疾病——并可累及视觉通路的任何部位。
视觉科学中心主任苏珊娜·马科斯教授长期致力于该领域研究。罗彻斯特大学在自适应光学方面始终引领前沿，来自弗拉姆眼科研究所、视觉科学中心及光学研究所的学者通力合作，共同推动该领域发展。
针对眼球前段如晶状体与角膜的问题，常可通过眼镜或手术进行矫正。罗彻斯特大学威廉·G·艾林医学光学教授大卫·威廉姆斯开发出一种能精确测量并矫正眼球光学缺陷的方法，从而推动了矫正镜片（包括眼镜与隐形眼镜）的改良。这项研究也为LASIK等激光屈光手术的优化提供了支持。
视觉科学中心主任苏珊娜·马科斯运用先进成像技术构建个性化眼模型，以指导眼部矫正方案的选择。她的实验室还开发出能让患者在白内障手术前体验术后视觉效果的技术，助力患者选择最适合自身需求的人工晶体。
“科研进展是逐步累积的，每一项突破都建立在之前的基础之上。”马科斯强调。
值得一提的是，威廉姆斯团队在罗彻斯特大学原创的技术，还能实现对活体眼球内部单个细胞的成像。眼科学与神经科学副教授杰西·沙勒克将这种称为自适应光学眼底镜的工具加以改进，首次揭示了免疫细胞动态侵入视网膜组织并对威胁视力的损伤作出反应的过程。
更令人惊叹的是，自适应光学技术还能记录活眼中单个神经元的活动，这为评估下一代疗法的效果提供了全新可能。麦格雷戈实验室专门运用这些先进的视网膜成像方法，测试并优化针对视网膜变性的新型再生疗法。他们的目标是确保进入临床试验的治疗方案拥有最高的成功几率。
重见光明：未来的愿景
开发新型疗法需要多学科团队的紧密协作。
弗拉姆眼科研究所的眼科学教授克里斯特尔·赫克斯林（右）正在实验室中研究通过大脑训练恢复视力的方法。
麦格雷戈主导了一项由美国国立卫生研究院及国家眼科研究所发起的“大胆目标计划”项目，旨在通过实验室培育的新细胞替换因疾病丧失的视网膜感光细胞，从而实现视力重建。该工作包括与弗拉姆眼科研究所的玻璃体视网膜外科医生合作，开创将替代细胞输送至眼内的新型手术方法。
该团队此前已尝试通过可降解组织支架向眼内植入细胞；今年，他们更进一步开发出一种使用生物相容性粘性载体进行微创手术输送的新方法。与加州大学伯克利分校神经科学家合作的麦格雷戈团队近期还发现，这些实验室培育的替代细胞似乎能与视网膜中负责精细视觉功能（如阅读文字或识别面部表情）的细胞建立连接。
感光功能恢复后，这些信号仍需大脑解读——视力恢复的实际效果可能取决于大脑适应新信号的能力。视觉皮层损伤（如中风后）同样会导致视力丧失。罗彻斯特大学的研究人员，如视觉科学中心联合主任兼培训主任、眼科学詹姆斯·V·阿奎维拉教授克里斯特尔·赫克斯林，已证实通过“重新训练”大脑来恢复视力、缩小视野缺损区域是可能实现的。
“这是一个令人振奋的时代。目前针对视网膜退行性疾病患者的视力恢复疗法已在临床试验中展现出希望——例如让患者能够辨认标识或找到物体。但这还不能等同于我们日常所体验的高质量视力，”麦格雷戈说道，“展望未来，我们期待能重建高品质视觉，让患者得以再次看见亲友的微笑或欣赏日落美景。我们坚信，当前研究的再生技术终将使这一愿景成为现实。”
如今，佩戴眼镜或隐形眼镜已成为普遍现象，尤其在年长群体中更为常见。据统计，美国国家卫生研究院估计近93%的70岁以上老年人依赖光学镜片矫正视力。然而，并非所有与年龄相关的视觉问题都能如此简单地得到解决。
“视觉问题非常复杂，其运作机制我们尚未完全理解，更不用说预防这些复杂的眼部疾病了。”罗彻斯特大学医学中心眼科助理教授朱丽叶·麦格雷戈指出。
研究发现，斑马鱼等动物在眼部受伤后，其眼睛和大脑具备再生能力，但人类却缺乏这种自我修复或再生的机能。位于眼底、负责感光、处理视觉信号并向大脑传递信息的神经细胞尤其脆弱，在年龄相关性黄斑变性和青光眼等常见疾病中极易受损。一旦这些神经细胞损伤并丧失功能，便无法再生或修复。
“我们最理想的目标是预防这些疾病，但以目前的医学水平还难以实现，”麦格雷戈坦言，“我们虽能尝试延缓病情发展，可一旦神经细胞死亡，除了帮助患者适应视力下降，医学能做的十分有限。尽管研究不断拓展我们对视觉的认知，仍有大量未知领域等待探索——例如在丧失高质量视力后，是否可能使其恢复，这正是当前积极探索的方向。”
视觉的运作机制
“角膜和晶状体如同相机镜头，负责聚焦光线。”
当然，视觉系统、眼睛及其与大脑的协同作用远比相机复杂。然而，这一物理结构与此精密的感官系统确有一些相通之处。如同相机，光线经过眼睛的屈光系统，最终落在光感受器上——即视网膜中的感光细胞。虹膜调控进光量，视网膜神经元进行初步信息处理，继而将编码后的视觉信号传递至大脑。
现代智能手机相机通过拍摄多帧图像，并利用图像间的运动信息合成更高质量的影像。同样，人眼运动在视觉形成中也至关重要。罗彻斯特大学感知实验室的研究人员发现，微小的无意识眼动是我们能够持续“看见”的关键。“眼动通过将空间信息转化为视网膜上的时间变化来促进视觉形成。这些输入信号强烈驱动着神经元的反应，”脑与认知科学系教授、视觉科学中心成员米歇尔·鲁奇解释道。
何为失明？
人们对“失明”常存有误解。麦格雷戈认为，更恰当的理解应将其视为一个从轻微视障到完全无光感的连续谱系。一个人视力丧失的类型及其对生活的影响，取决于受损的眼部或脑区结构、病变严重程度以及个体的适应能力。
在许多情况下，现有疗法能最大程度减少视力损伤。但对某些患者而言，除了辅助支持外，医学手段仍十分有限。尤其挑战的是治疗影响眼睛和大脑神经元的疾病。为此，大学内多个实验室——包括弗拉姆眼科研究所和德尔蒙特神经科学研究所——正致力于揭示视力丧失的成因。然而，视网膜神经元退行的机制在许多方面仍是未解之谜。
借助先进的遗传学与细胞生物学技术，利比实验室的团队得以研究青光眼（一种常见的年龄相关性眼病）中导致神经功能障碍与细胞死亡的多种因素。与此同时，辛格实验室利用人类干细胞构建年龄相关性黄斑变性模型。通过分析与该病及罕见遗传性黄斑营养不良相关的基因，罗彻斯特大学的研究人员已识别出一种在该病早期阶段起关键作用的蛋白质。“目前针对黄斑变性的治疗方法效果有限，且常伴随明显副作用，”与弗拉姆眼科研究所及视觉科学中心合作的鲁奇拉·辛格表示，“我们的研究旨在发现新的治疗靶点，以期有望阻止疾病进展。”
基础研究如何指引视觉恢复
视力丧失可能发生在人生任何阶段，成因多样——遗传、环境暴露、外伤或进行性疾病——并可累及视觉通路的任何部位。
视觉科学中心主任苏珊娜·马科斯教授长期致力于该领域研究。罗彻斯特大学在自适应光学方面始终引领前沿，来自弗拉姆眼科研究所、视觉科学中心及光学研究所的学者通力合作，共同推动该领域发展。
针对眼球前段如晶状体与角膜的问题，常可通过眼镜或手术进行矫正。罗彻斯特大学威廉·G·艾林医学光学教授大卫·威廉姆斯开发出一种能精确测量并矫正眼球光学缺陷的方法，从而推动了矫正镜片（包括眼镜与隐形眼镜）的改良。这项研究也为LASIK等激光屈光手术的优化提供了支持。
视觉科学中心主任苏珊娜·马科斯运用先进成像技术构建个性化眼模型，以指导眼部矫正方案的选择。她的实验室还开发出能让患者在白内障手术前体验术后视觉效果的技术，助力患者选择最适合自身需求的人工晶体。
“科研进展是逐步累积的，每一项突破都建立在之前的基础之上。”马科斯强调。
值得一提的是，威廉姆斯团队在罗彻斯特大学原创的技术，还能实现对活体眼球内部单个细胞的成像。眼科学与神经科学副教授杰西·沙勒克将这种称为自适应光学眼底镜的工具加以改进，首次揭示了免疫细胞动态侵入视网膜组织并对威胁视力的损伤作出反应的过程。
更令人惊叹的是，自适应光学技术还能记录活眼中单个神经元的活动，这为评估下一代疗法的效果提供了全新可能。麦格雷戈实验室专门运用这些先进的视网膜成像方法，测试并优化针对视网膜变性的新型再生疗法。他们的目标是确保进入临床试验的治疗方案拥有最高的成功几率。
重见光明：未来的愿景
开发新型疗法需要多学科团队的紧密协作。
弗拉姆眼科研究所的眼科学教授克里斯特尔·赫克斯林（右）正在实验室中研究通过大脑训练恢复视力的方法。
麦格雷戈主导了一项由美国国立卫生研究院及国家眼科研究所发起的“大胆目标计划”项目，旨在通过实验室培育的新细胞替换因疾病丧失的视网膜感光细胞，从而实现视力重建。该工作包括与弗拉姆眼科研究所的玻璃体视网膜外科医生合作，开创将替代细胞输送至眼内的新型手术方法。
该团队此前已尝试通过可降解组织支架向眼内植入细胞；今年，他们更进一步开发出一种使用生物相容性粘性载体进行微创手术输送的新方法。与加州大学伯克利分校神经科学家合作的麦格雷戈团队近期还发现，这些实验室培育的替代细胞似乎能与视网膜中负责精细视觉功能（如阅读文字或识别面部表情）的细胞建立连接。
感光功能恢复后，这些信号仍需大脑解读——视力恢复的实际效果可能取决于大脑适应新信号的能力。视觉皮层损伤（如中风后）同样会导致视力丧失。罗彻斯特大学的研究人员，如视觉科学中心联合主任兼培训主任、眼科学詹姆斯·V·阿奎维拉教授克里斯特尔·赫克斯林，已证实通过“重新训练”大脑来恢复视力、缩小视野缺损区域是可能实现的。
“这是一个令人振奋的时代。目前针对视网膜退行性疾病患者的视力恢复疗法已在临床试验中展现出希望——例如让患者能够辨认标识或找到物体。但这还不能等同于我们日常所体验的高质量视力，”麦格雷戈说道，“展望未来，我们期待能重建高品质视觉，让患者得以再次看见亲友的微笑或欣赏日落美景。我们坚信，当前研究的再生技术终将使这一愿景成为现实。”
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