视网膜色素变性（RP）和年龄相关性黄斑变性（AMD）是导致失明的主要原因之一，其造成的光感受器退化常导致视觉功能的丧失。尽管视网膜中的光感受器受到严重影响，但其余的视网膜细胞以及与大脑的连接仍然存在，为治疗提供了一定的希望。早期的视网膜假体治疗设备如Argus II和Alpha AMS，虽然获得市场授权，但在实际应用中出现了视觉敏感度有限和安全性问题。随后出现的PRIMA植入物在提供电刺激的同时，也存在一些视觉感知的空间分辨率限制和刺激阈值问题。
在这样的背景下，一种新型的纳米结构阵列Au–TiO2-x NW arrays（AuTiO2-x纳米线阵列）引起了研究人员的兴趣。AuTiO2-x纳米线阵列是一种由金（Au）和氧化钛（TiO2）的混合物构成的纳米材料，每根纳米线微米，与光感受器的物理尺寸相似。这种阵列能够将紫外光、蓝光和绿光转化为光电流，从而激活视网膜神经节细胞，提高视网膜退化小鼠的视力感知。然而，这种阵列在体内恢复视觉功能的性能尚未得到充分评估。
2023年11月23日，复旦大学张嘉漪教授、颜彪副教授、姜春晖教授和复旦大学附属中山医院袁源智副主任医生等人，改进了AuTiO2-x纳米线阵列，并报告了在小鼠和猴子模型中，通过植入AuTiO2-x纳米线阵列到视网膜下，该阵列提供了空间分辨率为77.5微米和时间分辨率为3.92赫兹的性能。在盲鼠实验中，这些阵列使得盲鼠能够在光强阈值为15.70-18.09微瓦/毫米^2的条件下检测漂移光栅和闪烁物体，并且通过记录视觉诱发电位和视觉反应测试，显示出视力为0.3-0.4度每周期的能力。在猴子实验中，这些阵列稳定运行了长达54周，使猴子能够在视觉引导的眼球运动实验中检测到10微瓦/毫米^2的光束，并且通过长期体内钙成像显示出对大脑主要视觉皮层的塑性变化。论文指出，这种纳米材料作为人工光感受器可能有助于改善视网膜光感受器退化患者的视觉缺陷，为视网膜假体治疗提供了新的方向和可能性。该研究成果以“Assessment of visual function in blind mice and monkeys with subretinally implanted nanowire arrays as artificial photoreceptors ”为题，发表在Nature Biomedical Engineering期刊上。论文共同第一作者是上海复旦大学的Ruyi Yang, Peng Zhao, Liyang Wang, Chenli Feng, Chen Peng。
首先，他们对AuTiO2-x NW阵列进行了一系列处理，包括经过水热生长后进行热退火，在氢气/氩气中形成氧空位，制备了TiO2-x NW阵列，并在其表面原位还原和沉积金纳米粒子，最终得到AuTiO2-x NW阵列。通过X射线衍射和透射电子显微镜等技术对这些阵列进行了表征，发现其具有良好的物理性质和特征。
接下来，他们评估了这些阵列在不同波长光照射下产生的光电流。结果显示，UV、蓝光和绿光的光电流分别比之前的研究提高了五到七倍，与其吸收光谱相一致。此外，他们观察到光电流由电容性和法拉第两个阶段组成，并对其进行了详细的测量和分析。
接下来的实验使用了rd1/cDTA小鼠（以下称为盲鼠），这些小鼠在P50时光感受器已完全退化。在附着了NW阵列的盲视网膜中，观察到对光刺激有响应的视网膜神经节细胞（RGCs）占比高达97.12%。盲视网膜中的RGCs对UV、蓝光或绿光光刺激均产生反应。
此外，作者还进行了一系列的安全性评估实验，结果显示在特定光强和持续时间条件下，NW阵列对盲视网膜的刺激具有一定的安全性。通过测量光脉冲持续时间和强度对RGCs响应的影响，研究者推测出光刺激的阈值和作用机制，这对未来的实际应用具有重要的指导意义。
研究团队改进了盲鼠植入纳米线（NW）阵列后的感知行为实验协议，采用了选择盒式二选一强迫选择（2AFC）任务。实验中，他们将可视刺激投射到长方形盒子的一侧，同时在另一侧设置了一个水口，以测试盲鼠是否能够准确地定位光源的位置。训练阶段旨在让小鼠学会触摸屏幕与获得水奖励之间的关联，而测试阶段则检验了盲鼠对光源的定位能力。
经过一定次数的训练后，所有参与实验的盲鼠进入了测试阶段。测试阶段使用不同波长的光源（UV、蓝光和绿光LED）进行光源定位测试。结果显示，植入NW阵列的盲鼠能够正确地定位光源，但其正确率略低于正常小鼠。此外，研究人员还发现，植入NW阵列时间较长的盲鼠在定位LED光源方面的正确率更高。他们还进行了其他测试，如闪光光源检测和对静态物体的识别测试，发现植入NW阵列的盲鼠在这些测试中表现出一定的光感知和认知能力，尽管在某些情况下正确率略低于正常小鼠。这些结果表明，NW阵列植入的时间长短和持续时间对盲鼠的行为表现有一定的影响。
首先，研究测量了AuTiO2-x NW阵列对不同频率（0.5–60 Hz）的光脉冲产生的光电流，发现NW阵列能可靠地产生60 Hz的光脉冲的光电流，并且幅值在整个频率范围内保持稳定。接着，他们研究了植入NW阵列的盲鼠视网膜细胞（RGCs）在不同频率闪烁光刺激下的时间分辨率。结果显示，随着闪烁频率的增加，NW阵列植入的盲鼠视网膜和正常视网膜中RGCs的反应分数和归一化值下降。时间分辨率阈值分别为4.01 Hz和3.92 Hz，高于这些频率时，RGCs无法在接下来的脉冲中产生动作电位。
在实验中，研究人员使用了符合安全标准 ANSI 2000 的规则，计算出了NW阵列的安全阈值，为了保持安全性，给出了安全的最大脉冲率为40 Hz。随后，进行了植入NW阵列的盲鼠在特定频率的闪烁光源测试，发现盲鼠在特定频率下对闪烁光的正确率相对较高，尤其在高于5 Hz或低于1 Hz时，植入NW阵列的盲鼠的表现虽然略低于正常小鼠，但仍然显著高于未植入NW阵列的盲鼠。
空间分辨率是指视觉的一个重要特征，也就是视觉锐度35。它与分辨细节的能力有关，对于图案识别至关重要。首先，研究利用光栅刺激进行了外体实验评估，结果显示植入NW阵列的盲鼠和正常视网膜中RGCs的反应分数随着光栅宽度的增加而增加。植入NW阵列的盲视网膜的阵列大小约为74.8 μm，而在正常视网膜中为5.5 μm。然后，通过视觉诱发电位（VEP）记录和钙成像在V1皮层进行分析，研究发现植入NW阵列的盲鼠显示出类似于正常小鼠的视觉锐度和感受野大小。在行为层面上的视觉反应测试表明，植入NW阵列的盲鼠对对比度和空间频率的视觉敏感度有所提高，但其视觉锐度为0.313±0.015 c.p.d.，与正常小鼠相比仍存在一定差距。这些结果揭示了NW阵列植入对于盲鼠的视觉能力带来了改善，但其空间分辨率仍然略低于正常小鼠水平。
首先，研究者使用交替光栅刺激测试植入NW阵列的盲鼠视网膜中RGC的方向选择性，发现其中约21.05%的RGC表现出了取向选择性。在V1神经元中，28.47%至26.87%显示出了方向选择性。接着，研究者进行了基于盒式的方向辨别行为测试，结果显示植入NW阵列的盲鼠能够辨别水平和垂直移动的光栅。他们还测试了移动的光条，在行为测试中，植入NW阵列的盲鼠和正常小鼠在检测移动光条方面表现相似，正确率分别为76.92%和84.79%。这些结果表明，植入NW阵列的盲鼠在实验条件下展现出了对运动物体的感知能力，这对于视觉修复设备的研发具有重要意义。
研究者在植入了纳米线（NW）阵列的盲鼠的视皮层V1区进行长期双光子记录实验的结果。他们记录了植入后14周内V1中的光响应神经元，发现其中有4个神经元持续对光做出反应，表现出持久的光敏性。其中两个神经元从植入后的1个月开始对光做出反应，而另外两个在植入后1个月停止了对光的反应，显示出新产生的光敏性。84天内，V1中对光刺激产生反应的神经元比例为15.81%，高于植入前的9.25%。这些神经元在植入后的第5天和第7天显示出最高的反应比例。此外，对自然场景的响应显示出了一定的差异，表明对刺激条件具有不同的响应选择性。同时，研究者进行了解剖和组织学检查，发现NW阵列与视网膜接触良好，并观察到了感光神经元在材料-组织界面处的结构性变化。这些变化可能是视觉系统对新的刺激源适应的结果。最后，在猴子眼中植入NW阵列的实验也表明了其在视网膜下空间的稳定以及对生物的良好相容性。
研究者采用了单眼垂直目标性的眼球运动（VGS）测试，使用不同波长的光刺激来评估NW阵列植入区域的光敏感性。实验中使用红光LED作为对照光源，因为NW阵列对紫外、蓝光和绿光有光电流产生，但对红光无反应。实验结果显示，在两只猴子中，使用红光刺激NW阵列植入区域后，猴子的命中率逐渐降低，暗示着感光细胞的退化。红光刺激下的命中率分别下降到12%和22.03%，而在使用紫外光和蓝光刺激时，命中率分别为72.5%和74%。这意味着在NW阵列植入区域，猴子对紫外和蓝光刺激表现出了明显的眼球运动反。