纳米线人工光感受器恢复视觉的作用机制和应用

The restoration of light response with complex spatiotemporal features in retinal degenerative diseases towards retinal prosthesis has proven to be a considerable challenge over the past decades. We developed artificial photoreceptors based on gold nanoparticle-decorated titania (Au-TiO2) nanowire arrays, for restoration of visual responses in the retina of blind mice with degenerated photoreceptors. When Au-TiO2 nanowire arrays were in direct contact with blind mouse retina, green, blue and UV light responses were restored. We plan to first measure the visual features of nanowire array-coupled blind retina, including On-Off responses, size and antagonistic center-surround organization of receptive field. We next plan to study the mechanism of light responses in the nanowire array-coupled blind retina, as well as the long-term biosafety and performance prospects of the retinal prosthesis application.

退行性视网膜疾病会导致视网膜中的光感受器缺失，是最重要的退行性致盲疾病。利用新材料开发新型人工视网膜器件是近年来视网膜修复领域发展较快的方向，但在作用机制方面的研究还十分欠缺。我们前期的工作表明，氧化钛纳米线阵列在紫外和可见光的照射下产生光电流并能激活光感受器缺失的盲小鼠视网膜神经节细胞，视网膜对光的敏感度和空间分辨率等参数与正常小鼠接近。 我们计划首先研究纳米线结合的盲小鼠视网膜的神经节细胞功能特性，包括On和Off反应的时间响应、感受野大小和中心－周边（center-surround）拮抗特性。其次，我们计划研究人工光感受器作用于视网膜细胞的机制，从而进一步优化视网膜的视觉生理反应特性。最后，为评估纳米线作为人工光感受器在临床应用方面的可能性，我们还计划研究纳米线长期植入后对视网膜和视觉感知功能的影响。

项目围绕光感受器退化视网膜疾病的视觉功能修复展开，开发了基于金修饰氧化钛纳米线阵列的人工光感受器，提升了材料光电流，解析了盲小鼠视网膜神经节细胞在人工光感受器介导下的On/Off反应和感受野特性（300 μm直径），并在小鼠和猕猴两个动物模型中验证了该人工光感受器的安全性和有效性。具体地，我们对盲小鼠实施眼底植入纳米线阵列手术，记录了植入纳米线盲小鼠视皮层群体神经元的光反应可塑性变化、感受野以及对自然图像的反应，测试了植入纳米线22个月内小鼠在自由活动双向选择行为箱中对闪烁光、运动光带、运动光栅方向的识别行为，并通过视动反射实验检测了眼底植入盲小鼠的视锐度（0.3 cpd）；对黄斑局部损伤的猕猴实施了眼底植入纳米线阵列手术，完成了术后的安全性评估，以及对蓝光的光感恢复评价实验（0.5º 直径，光强10 μW·mm-2）。.通过该项目的实施，我们成功建立了金修饰氧化钛纳米线阵列修复视觉的新技术，阐明了光感受器修复视觉的视网膜机制，并通过猕猴实验提示该技术具有较好的转化应用前景。