人眼机理的科学属性

Scientific attributes of human eye mechanism

-----议人工视网膜的研发

都世民（Du Shimin）

人工视网膜的报道

2017-01-09 ,一篇报道”中科院新一代高分辨率人工视网膜预计2018年上市，”引起笔者关注，关注理由是：

https://www.sohu.com/a/123826283_579531

· 由美国工程院及医学院两院院士马克·霍默恩（Mark Humayun）教授领衔，海外一流的人才团队作为核心成员；

· 致力于研发并产业化国内首创、世界领先的新一代高分辨率人造视网膜技术；

· 为全球2000余万视网膜退行性病变患者提供重见光明的可靠方案。该团队已建立先进的多学科研发平台；

· 抢占国内有源植入及高端眼科医疗器械的千亿市场；

· 2018年进入临床。

笔者还查询了其它相关报道。

研发的基础及疑问

从上面介绍中，可以看出以下特点引人注目：

1. 人工视网膜是美国人原创。中科院下属单位开发实用产品，用于临床，试图让盲人重见光明；

2. 研究团队是声称“顶级”水平，因为有美国院士挂帅：美国工程院、美国医学院、美国医学与生物工程院院士，IEEE Fellow；有美国视网膜专家协会主席，美国顶尖的多希尼眼科研究所前主任。现任南加州大学工程院教授，生物医学工程、细胞与神经生物学研究员，为仿生电子学领域最具影响力的权威学者之一。 开发了世界首个人造视网膜，并获美国FDA认证和欧洲CE mark，被誉为“人造视网膜之父”。

3. 多学科研发团队，其中有IEEE Fellow。

4. 研发目的：为全球2000余万视网膜退行性病变患者提供重见光明可靠方案

5. 研发人造视网膜技术；

吴天准在接受《中国科学报》记者采访时表示：

如果用数码相机来做类比，人眼的角膜和晶状体就相当于镜头，眼球后方的视网膜是感光器件，视神经等同于连接感光器件和存储卡之间的线路，而大脑后部的视觉皮层则是存储卡和后期处理软件。

吴天准说：“色素性视网膜炎或老年性黄斑变性这样的疾病会让视网膜失去功能，让这部相机无法感知任何图像。”

视觉的产生依赖于三大组织器官：眼球（主要为视网膜）、视神经、视皮层。因此如果想恢复视觉，就必须研发出能替代这三种组织的假体，即视网膜假体、视神经假体和视皮层假体。

“这三类视觉假体刺激位点不同。”吴天准解释道，“视皮层假体是应用微电极直接刺激初级视皮层，可有光感的产生，但无法形成图像；视神经假体则是刺激神经束，不需要完好的视网膜结构，但分辨率低、手术难度大，也存在很大风险，目前尚处于基础研究阶段；而视网膜假体是在视网膜的特定位置植入微电极（或光电）阵列，把外加视频和图像信息转换成电子脉冲，刺激特定神经细胞，再通过神经通路传递到视皮层和大脑中枢。”

笔者对吴天准解释提出以下疑问：

1. 人眼不能与数码相机来做类比；

2. 关于“色素性视网膜炎或老年性黄斑变性这样的疾病会让视网膜失去功能，让这部相机无法感知任何图像。”的说法需要进一步讨论；

3. 视觉的产生依赖于三大组织器官的说法与视意识的产生尚未探索清楚；

4. 人工电极与光感受器不是一回事，不能作为替代品，这与器官移植应有所区别；

5. 笔者认为该研究团队的基础性研究仍缺少与时俱进，有必要重新审视人眼机理的进一步研究。

人眼机理的科学属性

人眼机理的科学属性可以从以下方面讨论：

1）科学的局限性；

2）科学的统一性；

3）科学的复杂系统性；

4）科学的多学科交叉融合。

对上述几种属性的认识是近些年来国内外科学家研究的热点：

科学的局限性

公元前1324至1266年，在河南安阳出土甲骨文中，载有“贞王弗疾目”、“大目不丧明”、“其丧明”等，表明当时已将视觉感官用“目”命名。眼病称“疾目”。眼失明称“丧明”。

“盲”分成两种

•春秋时期，《书经》载有“瞽奏鼓”。

•《诗经》载有“矇眸奏公”。据《毛传》解释：“有眸子而无见曰“矇”，无眸子曰“瞍””。在《辞海》中指出：是出自《诗经》。这表明当时已将“盲”分成两种，眼球完好的“盲”称作朦；眼球塌陷的“盲”称作瞍。

几千年来，人眼的科学探索仍将眼晴分家，眼球与视网膜分离，前者为宏观，后者为微观，两者不在同一层面。其间有1mm间隙，无人研究，是名符其实的研究盲区。如果在宏覌层面，1mm是间隙。在微观层面就是一个很大区域。有些专家学者明知科学有局限性，却忽略。以为微观研究才是科学研究。

科学的统一性

在人眼探索中，出现宏覌层面与微观层面背离，要不要统一？同在一个小宇宙应该统一。

1854年，麦克斯韦还是年青时代，就开始研究人眼和动物眼睛，发表了“鱼眼透镜”的论文，提岀了变折射率的概念。麦克斯韦还想弄清动物眼的色感之谜。
如今在百度网和道客巴巴网文庫中，搜索与眼相关的论述，都认为人眼是宏观成像装置，人眼的屈光系统被看成是“相机”，在中国百科网，有专家编写的词条，把眼睛看成光学仪器。在生物学未探明视网膜结构之前，都是以宏观光学视角给出的成像原理。而微观电磁学是因为无需求，无学者关注的原因，使很多人不知道新的学科---微小光学已经诞生了。

吴天准的介绍至今还当作相机。被称作顶级的多学科研发团队应该了解这些进展。

显微技术的出現和不断发展，电子学由小型化到微型化和纳米化。电子电路由分立元件变为集成电路，又发展为大規模集成和芯片化。生物学发现细胞，使视网膜揭示为視细胞等微观结构。而光学从赫兹发明光电效应后，爱因斯坦提出光量子概念来解释光电效应，把宏覌光学推向微观层面，直到激光器等出現，光学迈入了微覌光学。有的专家称作微小光学、微光学，也有称作激光技术。

微小光学的出现将眼球从宏观推向微观。1974 年，我国龚袒同教授提出变折射率概念。变折射率介质的折射率不是常数，而是按一定规律变化的。因此，变折射率介质是一种非均匀介质，也有人称为祶度折射率介质（GRIN）或渐变折射率介质。

微小光学专家认为人眼是成像装置，与过去传统解读不同的是，这里的成像多了变折射率透镜的引入，改变了原先双凸透镜成像的解读。微小光学专家介入这项研究，不一定了解视网膜结构，在这里变成多学科汇集点，也是难点。其上视细胞尺寸是微米尺度，细胞间距是纳米尺度，工作波长也是纳米尺度，使问题复杂化。

1944年，R.K.Luneburg[13]对麦克斯韦“鱼眼透镜”作了进一步研究，提出了一种折射率分布对某点呈球对称的折射率分布模型。此后在中国的一些专著中有论述，笔者早年就注意到“龙伯”透镜天线。

天线前輩清华大学前系主任扬弃疾教授就曾撰文讨论“鱼眼透镜”。中国百科网有他写的词条。

在天线专著中有专门介绍：钟顺时编，天线理论与技术，電子工业出版社，2011年，p439。书中有一节“变折射率透镜天线”。

眼睛玻璃体是球形，微小光学称为“水晶体”，是变折射率透镜。生物学和医学中对眼球论述有水晶体，不是指玻璃体。其实眼球与R.K.Luneburg龙伯透镜有关联。

刘德森和郎贤礼等，在研究梯度折射率（GRIN）透镜像差基础上，提出了两种改善梯度折射率（GRIN）透镜像差的工艺。

在天线领域，对这类透镜天线，沿用1854年，麦克斯韦“鱼眼透镜” (MFE) 这一名称，即“Maxwell Fish-Eye Lens ”。目前研制热点集中在半球形状，有的饋源置于球心处，研究者通过改进人工电磁材料性能，来提高“鱼眼透镜”天线的性能。

科学的复杂系统性

以上叙述中可以看出：微小光学和天线等多学科对变折射率介质透镜的研究，并将其与人眼眼球的关联，既改变了眼球的光学属性，也将眼球从宏观变为微观，还将眼球与视网膜构成新的系统。既可以垗除人眼成像是倒像，还可以解释色感成因、人眼扫视、跟踪、分辨等多功能属性。

必须指出：这些研究进展展示了人眼的复杂和系统性。没有理由再认为人眼是相机。

这些研究也展示了多学科交叉的特点。是多学科研究促进了人眼研究的统一、深化。

如果人眼的机理发生了很大变化，而研发项目仍然按相机思路，能治好人眼痃疾病吗？希望有关方面关注笔者提出的疑问和看法。