Всего 20 лет назад бионическое зрение было скорее научно-фантастическим клише, чем реальной медицинской целью. Но за последние несколько лет первая технология искусственного зрения появилась на рынке в Соединенных Штатах и Западной Европе, что позволило людям, ослепленным пигментным ретинитом, частично восстановить зрение. Несмотря на то, что эта замечательная технология имеет свои пределы. Это позволило людям перемещаться через дверь и даже читать буквы размером с заголовок, но не водить машину, бегать трусцой по улице или видеть лицо любимого человека.
Команда из Стэнфордского университета в Калифорнии работает над улучшением технологии, воздействуя на определенные клетки сетчатки – нервную ткань в задней части глаза, которая преобразует свет в электрическую активность.
«Мы обнаружили, что можем воспроизводить естественные паттерны активности сетчатки с исключительной точностью», – сказал Э.J. Чичильнский, к.D., профессор нейрохирургии в Стэнфордской медицинской школе и лаборатории экспериментальной физики Хансена. Исследование было опубликовано в Neuron и частично финансировалось Национальным институтом зрения NIH (NEI) и Национальным институтом биомедицинской визуализации и биоинженерии (NIBIB).
Сетчатка состоит из нескольких слоев клеток. Первый слой содержит фоторецепторные клетки, которые обнаруживают свет и преобразуют его в электрические сигналы. Пигментный ретинит и несколько других заболеваний, вызывающих слепоту, вызваны потерей этих клеток.
Стратегия, лежащая в основе многих бионических сетчаток или протезов сетчатки, заключается в том, чтобы обойти потребность в фоторецепторах и стимулировать слой ганглиозных клеток сетчатки, последнюю остановку в сетчатке перед отправкой визуальных сигналов в мозг.
Несколько типов протезов сетчатки находятся в стадии разработки. Argus II, разработанный Second Sight Therapeutics при поддержке NEI на сумму более 25 миллионов долларов, является самым известным из этих устройств. В США он был одобрен для лечения пигментного ретинита в 2013 году и теперь доступен в ограниченном количестве медицинских центров по всей стране.
Он состоит из камеры, установленной на паре очков, которая передает беспроводные сигналы на сетку электродов, имплантированных на сетчатку. Электроды стимулируют ганглиозные клетки сетчатки и дают человеку приблизительное представление о том, что видит камера, включая изменения в освещении и контрасте, краях и грубых формах.
«Это очень интересно для тех, кто, возможно, ничего не видел 20–30 лет. Это большое дело.
С другой стороны, это далеко от естественного зрения ", – сказал д-р. Чичильнский, не участвовавший в разработке Argus II.
По его словам, современные технологии не обладают достаточной специфичностью или точностью для воспроизведения естественного зрения. Хотя большая часть визуальной обработки происходит в головном мозге, некоторая обработка выполняется ганглиозными клетками сетчатки.
Есть 1 к 1.5 миллионов ганглиозных клеток сетчатки внутри сетчатки, по крайней мере, в 20 разновидностях. Естественное зрение, в том числе способность видеть детали по форме, цвету, глубине и движению, требует активации нужных ячеек в нужное время.
Новое исследование показывает, что структурированная электрическая стимуляция может делать именно это в изолированной ткани сетчатки. Ведущим автором была Лорен Джепсон, доктор философии.D., который был докторантом в докторантуре.
Бывшая лаборатория Чичильнского в Институте Солка в Ла-Хойя, Калифорния. Пара сотрудничала с исследователями из Калифорнийского университета в Сан-Диего, Института физики элементарных частиц Санта-Крус и Университета науки и технологий AGH в Кракове, Польша.
Они сосредоточили свои усилия на ганглиозных клетках сетчатки, которые называются зонтичными клетками. Эти клетки, как известно, важны для обнаружения движения, его направления и скорости в визуальной сцене.
Когда движущийся объект проходит через визуальное пространство, клетки активируются волнами на сетчатке.
Исследователи поместили участки сетчатки на 61-электродную сетку. Затем они посылали импульсы на каждый из электродов и прислушивались к ответам клеток, почти как сонар.
Это позволило им идентифицировать клетки-зонтики, которые имеют разные ответы от других ганглиозных клеток сетчатки. Также было установлено количество стимуляции, необходимое для активации каждой из клеток. Затем исследователи записали реакцию клеток на простое движущееся изображение – белую полосу на сером фоне. Наконец, они электрически стимулировали клетки по той же схеме с необходимой силой.
Они смогли воспроизвести те же волны активности клеток зонтика, которые они наблюдали на движущемся изображении.
«Между этими результатами и созданием устройства, которое производит значимую, структурированную активность в большой области сетчатки у пациента-человека, предстоит пройти долгий путь», – сказал доктор. Чичильнский сказал. "Но если мы сможем справиться со многими техническими препятствиями впереди, мы сможем говорить с нервной системой на ее собственном языке и точно воспроизводить ее нормальные функции."
Такие достижения могут помочь сделать искусственное зрение более естественным, а также могут быть применены к другим типам протезных устройств, например к тем, которые изучаются, чтобы помочь парализованным людям восстановить движение.
NEI поддерживает множество других проектов, направленных на протезирование сетчатки.
«Протезирование сетчатки имеет большие перспективы, но это исследование – марафон, а не спринт», – сказал Томас Гринвелл, доктор философии.D., программный директор по нейробиологии сетчатки в NEI. "Это важное исследование помогает проиллюстрировать проблемы восстановления высококачественного видения, прогресс одной группы в достижении этой цели и постоянную необходимость для всей области продолжать инновации."
Исследование финансировалось грантами NIH EY012171 и EB004410, Национальным научным фондом, Фондом Макнайта, Премией Бласкера Фонда Сан-Диего и правительством Польши.