非侵入式测量正视眼调节过程中睫状肌生物电位的创新研究及其在仿生视觉辅助中的应用前景

本研究针对老视(presbyopia)患者调节反馈环路中断的临床难题，开发了新型巩膜接触镜电极技术，首次实现正视眼(emmetropes)调节过程中睫状肌生物电位(biopotential)的毫伏级精确测量。通过同步红外验光仪(eccentric infrared Photorefractor)验证，发现4.0D调节需求可产生-0.325mV显著电位变化，信号特征与混淆因素(眼球运动/眯眼)明显不同。该技术为开发基于生物电位反馈的自聚焦视觉辅助装置提供了新思路。

　　

随着年龄增长，人类眼睛逐渐失去调节焦距的能力，这种被称为老视(presbyopia)的现象困扰着全球约18亿人。传统解决方案如老花镜或多焦点人工晶体只能提供静态视力矫正，无法恢复自然的动态调节功能。问题的核心在于睫状肌(ciliary muscle)与晶状体(lens)之间的反馈环路中断——尽管老年患者的睫状肌仍保持收缩能力，但僵化的晶状体已无法响应。早在上世纪50年代，科学家就发现调节过程中存在微伏级生物电位变化，但由于技术限制，这些信号与调节机制的关联始终未能阐明。

来自德国弗特旺根大学和蒂宾根大学的研究团队开发了革命性的双极巩膜接触镜电极(bipolar scleral contact lens electrode)，在12名正视眼志愿者中实现了毫伏级精度的睫状肌生物电位记录。研究发现当视线从远距(0.2D)转向近距(4.0D)时，生物电位呈现显著负向偏移(-0.325mV)，且信号动态特性与同步测量的屈光变化(refractive change)具有相关性。通过排除实验证实，这些特征性信号不同于眼球运动(37.5μV/s)或眯眼(41μV/s)产生的干扰，并可能具有神经源性特征——因为睫状肌麻痹剂(cyclopentolate 1%)仅使2/5受试者的信号消失。该成果发表于《Scientific Reports》，为开发基于生物电位反馈的智能视觉辅助装置奠定了重要基础。

关键技术包括：(1)定制双极巩膜接触镜电极实现角膜无创测量；(2)红外偏心验光仪(eccentric infrared Photorefractor)同步记录屈光变化；(3)多距离视觉刺激范式(0.2-4.0D)；(4)蛋白质组学(DIA-MS)评估接触镜生物相容性；(5)逻辑斯蒂函数(sigmoid function)建模信号动力学特征。研究对象为12名21-29岁正视眼志愿者，通过Schirmer试纸采集泪液进行炎症因子分析。

【Biopotentials for different viewing distances】
通过线性混合模型(LMM)分析显示，不同调节需求(2.0-4.0D)产生的生物电位存在极显著差异(p<0.0001)，其中4.0D刺激引发最大振幅(-0.325mV)。值得注意的是，信号变化速率在调节(accommodation, -167.6μV/s)与松弛(disaccommodation, 271.4μV/s)过程中呈现不对称性，这与已知的屈光调节动力学特征一致。

【Measurement of confounding biopotentials】
水平眼动产生的双向波形(左→右:+37.5μV/s；右→左:-36.3μV/s)与调节信号具有明显差异，瞳孔收缩(-27μV/s)和眯眼(41μV/s)引发的电位变化也表现出更高变异性。这种特征性差异支持将睫状肌活动与其他眼部运动区分。

【Cycloplegia】
使用环戊通(cyclopentolate 1%)麻痹睫状肌后，5名受试者中有3人仍检测到生物电位，Bland-Altman分析显示麻痹前后信号无显著差异(p=0.3112)。这一意外发现暗示信号可能部分来源于神经活动。

【Proteomics analysis】
通过数据非依赖采集质谱(DIA-MS)分析3738种泪液蛋白，主成分分析(PCA)显示接触镜佩戴前后无显著差异(p>0.05)，证实该装置具有良好的生物相容性。

这项研究首次建立了一套完整的睫状肌生物电位测量体系，其重要意义体现在三方面：首先，0.025-0.575Hz特征频段的识别为信号提取提供了标准；其次，神经源性信号的发现挑战了传统认知，为调节机制研究开辟了新方向；最重要的是，该技术使开发"生物驱动"的智能人工晶体成为可能——通过实时解码睫状肌电信号来控制可调透镜(tunable lens)，有望真正恢复老视患者的动态视觉功能。正如作者指出，未来需要扩大样本量验证神经假说，并探索该技术在presbyopes群体中的应用潜力。这项融合了生物医学工程与眼科学的前沿研究，标志着向仿生视觉修复迈出了关键一步。