نجح علماء ألمان في تطوير شبكية صناعية قابلة للزرع.

في التجربة، أعادت جزئيًا ثلاثة مرضى كانوا مكفوفين نتيجة لضمور الشبكية الوراثي، حسبما كتبت صحيفة ديلي تلغراف.

كانت الأجهزة السابقة ذات الغرض المماثل تتكون من كاميرا ومعالج يجب ارتداؤه مثل النظارات. يتم زرع الغرسة الإلكترونية، التي طورتها شركة Retinal Implant AG بالتعاون مع معهد أبحاث طب العيون في جامعة توبنغن، مباشرة تحت شبكية العين وتستخدم الجهاز البصري للعين. وبالتالي، فهو بديل مباشر لمستقبلات الضوء المفقودة.

الصورة بالأبيض والأسود التي تنتجها شبكية العين الإلكترونية مستقرة وتتبع حركات مقلة العين.

وتمكن ثلاثة مرضى شاركوا في اختبار الجهاز من تمييز أشكال الأشياء بعد أيام قليلة من الجراحة. تحسنت رؤية أحدهم كثيرًا لدرجة أنه بدأ يتجول بحرية في جميع أنحاء الغرفة، ويقترب من الناس، ويرى عقارب الساعة ويميز سبعة ظلال من اللون الرمادي.

وفقًا للبروفيسور إيبرهارت زرينر، رئيس مستشفى العيون بجامعة توبنغن، فقد أثبتت الاختبارات التجريبية بشكل مقنع أن الغرسة يمكنها استعادة الرؤية لدى الأشخاص الذين يعانون من ضمور الشبكية بشكل كافٍ للحياة اليومية. ومع ذلك، أشار إلى أن إدخال الجهاز في الممارسة السريرية سيستغرق الكثير من الوقت.

وفقا للعلماء، يمكن استخدام شبكية العين الإلكترونية لعلاج العمى الناجم عن التهاب الشبكية الصباغي والأمراض التنكسية الأخرى في شبكية العين.

أنظمة الاستشعار البيولوجية مدمجة وفعالة في استخدام الطاقة. عند محاولة إنشاء تماثل أشباه الموصلات لشبكية العين، يواجهون صعوبات كبيرة: بسمك 0.5 ملم، يزن 0.5 جرام ويستهلك 0.1 واط.

أرز. 8.

الشبكية البيولوجية.

ترتبط خلايا الشبكية بشبكة معقدة من وصلات الإشارة المثيرة (الأسهم ذات الاتجاه الواحد)، والمثبطة (الخطوط الدائرية في النهاية)، وثنائية الاتجاه (الأسهم ذات الرأسين). تنتج هذه الدائرة استجابات انتقائية من أربعة أنواع من الخلايا العقدية (في الأسفل)، والتي تشكل 90% من ألياف العصب البصري التي تنقل المعلومات البصرية إلى الدماغ. إدراج الخلايا العقدية "تشغيل" (الأخضر) وأوقف تشغيل "إيقاف". (أحمر) يتم الإثارة عندما تكون شدة الضوء المحلية أعلى أو أقل من المنطقة المحيطة. شركة الخلايا العقدية (أزرق) وتنازليًا "ديسمبر". (الأصفر) يولد نبضات عندما تزيد أو تنقص شدة الضوء.

أرز. 8.

شبكية العين السيليكون

في النماذج الإلكترونية لشبكية العين، يتم استبدال المحاور والتشعبات لكل خلية (وصلات الإشارة) بموصلات معدنية، ويتم استبدال المشابك العصبية بالترانزستورات. تؤدي تباديل هذا التكوين إلى إنشاء تفاعلات مثيرة ومثبطة تحاكي الاتصالات بين الخلايا العصبية. توجد الترانزستورات والموصلات التي تربطها على رقائق السيليكون، والتي تعمل أقسام مختلفة منها كطبقات مختلفة من الخلايا. الوسادات الخضراء الكبيرة عبارة عن ترانزستورات ضوئية تحول الضوء إلى إشارات كهربائية.

في وقت مبكر من نمو العين، ترسل الخلايا العقدية للشبكية محاورها إلى السقف، وهو المركز الحسي للدماغ المتوسط. يتم توجيه محاور الشبكية بواسطة المواد الكيميائية النزرة التي تطلقها الخلايا التكتلية المجاورة والتي تنشط في وقت واحد؛ ونتيجة لذلك، تصبح الخلايا العصبية التي تنشط في وقت واحد متصلة. ونتيجة لذلك، يتم تشكيل خريطة للموقع المكاني لأجهزة استشعار الشبكية في الدماغ المتوسط.

لنمذجة هذه العملية، تُستخدم أسلاك قابلة للبرمجة لإنشاء اتصالات ذاتية التنظيم بين الخلايا في شريحة Visio1 الشبكية (أعلى)، ورقاقة السقف الاصطناعي Neurotrope1 (أسفل). يتم توجيه نبضات الخرج الكهربائي من الخلايا العقدية الاصطناعية إلى خلايا السقف من خلال شريحة ذاكرة (RAM) (وسط). توفر شريحة الشبكية عنوان الخلية العصبية المثارة، وتقوم شريحة السقف بإعادة إنتاج دفعة الإثارة في المكان المناسب. في مثالنا، يوجه السقف الاصطناعي ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) إلى مبادلة العنوانين 1 و2. ونتيجة لذلك، يتحرك الطرف المحوري للخلية العقدية 2 إلى خلية السقف 1، مما يؤدي إلى إزاحة محور الخلية العقدية 3. تستجيب المحاور لتدرج الطاقة الكهربائية الشحنة التي تطلقها الخلية المثارة وتساعد على إعادة توجيه الاتصالات.

بعد الإثارة المتكررة لكتل ​​من الخلايا العصبية الشبكية الاصطناعية المجاورة (المثلثات المميزة، أعلى اليسار)، تقترب نقاط النهاية المحورية لخلايا السقف، التي كانت متناثرة في البداية (المثلثات المميزة، أسفل اليسار)، من بعضها البعض وتشكل خطوطًا أكثر انتظامًا (أسفل اليمين).

أرز. 9.

تم زرع شبكية العين الاصطناعية من أرجوس بنجاح في ستة مرضى مكفوفين، مما سمح لهم برؤية الضوء مرة أخرى واكتشاف حركة الأجسام الكبيرة والمشرقة.

أرز. 10.

يجمع هذا النظام بين زرعة عين إلكترونية صغيرة وكاميرا فيديو مثبتة على نظارات داكنة. وتتصل مجموعة مكونة من 16 قطبًا كهربائيًا في الزرعة بالشبكية، مما يؤثر على المستقبلات الضوئية. تنتقل الإشارة المرسلة إليهم مسافة طويلة من الكاميرا: عبر معالج المعالجة، ثم عبر قناة راديوية إلى جهاز استقبال يقع خلف الأذن، ثم عبر الأسلاك الممتدة تحت الجلد إلى العين المزروعة. يمكن للنظام أن يعمل فقط مع المرضى الذين تكون مستقبلاتهم الضوئية في شبكية العين ضعيفة أو تالفة، ولكن العصب البصري يتمتع بصحة جيدة.

وتجري محاولات لإعادة إنتاج الهياكل العصبية ووظائفها. وهذا ما يسمى تحويل (رسم خرائط) الوصلات العصبية على دوائر السيليكون الإلكترونية. وبهذه الطريقة، يتم إنشاء الرقائق العصبية الدقيقة عن طريق تشكيل شبكية العين - النسيج العصبي الذي يبلغ سمكه 0.5 ملم والذي يغطي الجدار الخلفي للعين. تتكون شبكية العين من خمس طبقات متخصصة من الخلايا العصبية وتقوم بالمعالجة الأولية للصور المرئية (الصور)، واستخراج المعلومات المفيدة دون الوصول إلى الدماغ أو استهلاك موارده.

تستقبل شبكية العين السيليكونية حركات رأس الإنسان. تحاكي الأنواع الأربعة من الخلايا العقدية السيليكونية الموجودة على شريحة Visio1 خلايا الشبكية الحقيقية وتقوم بالمعالجة المسبقة البصرية. تستجيب بعض الخلايا للمناطق الداكنة (الحمراء)، والبعض الآخر للمناطق الفاتحة (الأخضر). تراقب المجموعتان الثالثة والرابعة من الخلايا الحدود الأمامية (الصفراء) والخلفية (الزرقاء) للأشياء. تُظهر الصور بالأبيض والأسود التي يتم إنتاجها عن طريق فك التشفير ما قد يراه الشخص الكفيف من خلال زرع شبكية عصبية الشكل.

شبكية العين هي الجزء الأكثر أهمية في العين. وهو يتألف من ملايين المستقبلات الضوئية الحساسة للضوء المسؤولة عن رؤية الألوان والشفق. يؤدي تلف المستقبلات الضوئية - العصي والمخاريط - نتيجة لأمراض مختلفة إلى تدهور تدريجي في الرؤية وفقدانها بالكامل.

في كثير من الأحيان، تؤدي الأمراض (بما في ذلك الحثل الصباغي في شبكية العين) إلى تدمير المستقبلات الضوئية نفسها فقط، دون التأثير على الخلايا العصبية في شبكية العين. لقد قام الباحثون بالفعل بمحاولات للتعامل مع هذا العمى، باستخدام العين الإلكترونية على سبيل المثال. وتم زرع شريحة خاصة مزودة بأقطاب كهربائية في شبكية عين المريض. وطُلب من المرضى استخدام النظارات المزودة بكاميرا فيديو، حيث يتم نقل الإشارة منها أولاً إلى الشريحة ثم إلى الدماغ.

اقترح علماء من المعهد الإيطالي للتكنولوجيا نهجا مختلفا جذريا، من خلال إنشاء شبكية اصطناعية يمكن زرعها في عين المريض. تتكون "الشبكية الاصطناعية" من عدة طبقات: مادة بوليمر موصلة، وركيزة حريرية، وطبقة شبه موصلة. هو الذي يلتقط الفوتونات التي تدخل من خلال التلميذ - وهذا يؤدي إلى التحفيز الكهربائي للخلايا العصبية في شبكية العين ومواصلة نقل الإشارة إلى الدماغ.

وقد اختبر الباحثون بالفعل اختراعهم على الفئران التي تعاني من تنكس الشبكية. وبعد شهر واحد من جراحة الزرع، قام العلماء بتقييم منعكس الحدقة في الحيوانات ذات شبكية العين الاصطناعية، والحيوانات التي لم يتم علاجها، والفئران السليمة.

كانت الاستجابة للإضاءة المنخفضة (1 لوكس)، والتي يمكن مقارنتها بالإضاءة أثناء اكتمال القمر، هي نفسها تقريبًا في الفئران التي تعاني من تنكس الشبكية وأولئك الذين تلقوا عملية زرع. ومع ذلك، تفاعلت الحيوانات التي خضعت للجراحة مع ضوء أكثر سطوعًا بنفس الطريقة تقريبًا التي تفاعلت بها الحيوانات السليمة.

تم تكرار الاختبار بعد 6 و10 أشهر من العملية - أصبح الرؤية لدى جميع الحيوانات أسوأ مع تقدم الفئران في السن، لكن تأثير تركيب شبكية صناعية لا يزال قائما. وأظهر الباحثون أيضًا أن القشرة البصرية الأولية، وهي منطقة الدماغ المسؤولة عن معالجة المعلومات البصرية، تم تنشيطها تحت تأثير الضوء.

يعترف الباحثون أنهم لم يفهموا بعد بشكل كامل كيفية عمل شبكية العين الاصطناعية، ويبقى أن نرى هذا. ومن غير الواضح أيضًا ما إذا كان الطرف الاصطناعي الجديد سيساعد الأشخاص؛ فالنتائج التي تم الحصول عليها في الحيوانات لا يمكن تكرارها دائمًا عند المرضى. إلا أن غراتسيا بيرتيل، أحد أعضاء الفريق البحثي، توضح أنه من الممكن أن يبدأ اختبار شبكية العين على البشر في النصف الثاني من العام الحالي 2017، وسيتم الحصول على النتائج الأولى لهذه الاختبارات مع بداية عام 2018. .

أصبحت الرؤية الاصطناعية حقيقة واقعة في كل من العلوم والطب على نحو متزايد - ولم يحلم بذلك مؤلفو روايات الخيال العلمي أبدًا. في الصيف الماضي، تم زرع أول شبكية عين صناعية مصنوعة من السيليكون في ثلاثة مرضى مكفوفين. عانى الثلاثة من فقدان البصر شبه الكامل بسبب التهاب الشبكية الصباغي (RP)، وهو مرض يصيب العين ويضر بالرؤية الليلية والمحيطية. وغادروا المستشفى في اليوم التالي للعملية.

تم اختراع شبكية العين المصنوعة من السيليكون الاصطناعي (ASR، من شبكية العين المصنوعة من السيليكون الاصطناعي) من قبل مؤسسي شركة Optobionics، الأخوين فنسنت وألان تشاو. ASR عبارة عن شريحة يبلغ قطرها 2 مم وسمكها أقل من شعرة الإنسان. يتم وضع حوالي 3500 خلية شمسية مجهرية على رقاقة السيليكون، والتي تحول الضوء إلى نبضات كهربائية.

تم إنشاء الدائرة الدقيقة لتحل محل المستقبلات الضوئية التالفة – وهي العناصر الحساسة للضوء في العين والتي تحول الضوء إلى إشارات كهربائية في العين السليمة – ويتم تشغيلها بواسطة ضوء خارجي ولا تحتوي على بطاريات أو أسلاك. ويتم زرع شبكية صناعية من السيليكون جراحيا تحت شبكية المريض، فيما يسمى بالفضاء تحت الشبكي، وتولد إشارات بصرية مماثلة لتلك التي تنتجها طبقة المستقبلات الضوئية البيولوجية.

في الواقع، يعمل ASR مع المستقبلات الضوئية التي لم تفقد بعد القدرة على العمل. "إذا تمكنت الشريحة من التفاعل معها لفترة طويلة، فإننا نتحرك نحو الهدف على الطريق الصحيح،" آلان تشاو متأكد.

يفقد الأشخاص الذين يعانون من التهاب الشبكية الصباغي مستقبلاتهم الضوئية تدريجيًا. بشكل عام، هذا هو الاسم الجماعي للعديد من أمراض العيون، ونتيجة لذلك يتم تدمير طبقة المستقبلات الضوئية.

يمكن أيضًا تصحيح الضمور البقعي المرتبط بالعمر (AMD، من الضمور البقعي المرتبط بالعمر)، وفقًا للأخوين تشاو، باستخدام شبكية العين المصنوعة من السيليكون الاصطناعي. البقع على القرنية هي نتيجة للشيخوخة، ولكن السبب الدقيق غير معروف حتى الآن. ويعاني أكثر من 30 مليوناً من سكان العالم من مثل هذه الأمراض، وغالباً ما تؤدي إلى العمى غير القابل للشفاء.

حتى الآن، لم يكن ASR قادرًا على علاج الجلوكوما المرتبطة بتلف الأعصاب ولا يساعد في علاج مرض السكري، الذي يسبب تندب الشبكية. الشبكية الاصطناعية عاجزة عن علاج الارتجاجات وإصابات الدماغ الأخرى.

يقول الأخوان تشاو عن خططهما: "نحن نحاول الآن معرفة إلى أين نتحرك بعد ذلك". "بمجرد اتخاذ القرار، يمكنك تجربة تغيير المعلمات."

الرؤية الطبيعية والاصطناعية

يمكن مقارنة عملية "الرؤية" بتشغيل الكاميرا. في الكاميرا، تمر أشعة الضوء عبر مجموعة من العدسات التي تركز الصورة على الفيلم. في العين السليمة، تمر أشعة الضوء عبر القرنية والعدسة، مما يؤدي إلى تركيز الصورة على شبكية العين، وهي طبقة العناصر الحساسة للضوء المبطنة للسطح الخلفي للعين.

البقعة هي منطقة الشبكية التي تستقبل وتعالج الصور التفصيلية وترسلها إلى الدماغ عبر العصب البصري. تمنح البقعة متعددة الطبقات الصور التي نراها أعلى درجة من الدقة. إذا تضررت البقعة، تتدهور الرؤية. ماذا تفعل في هذه الحالة؟ أدخل ASR.

يتم توصيل الآلاف من عناصر ASR المجهرية بقطب كهربائي يحول صور الضوء الواردة إلى نبضات. تحفز هذه العناصر العناصر الوظيفية المتبقية في شبكية العين وتنتج إشارات بصرية مشابهة لتلك التي تولدها العين السليمة. يمكن بعد ذلك معالجة الإشارات "الاصطناعية" وإرسالها عبر العصب البصري إلى الدماغ.

في التجارب على الحيوانات في الثمانينات، قام الأخوان تشاو بتحفيز ASR باستخدام ضوء الأشعة تحت الحمراء وسجلوا استجابة الشبكية. لكن الحيوانات للأسف لا تستطيع التحدث، لذلك من غير المعروف ما حدث بالفعل.

نتائج أكثر أهمية

قبل حوالي ثلاث سنوات، جمع الأخوان بيانات كافية لتقديم طلب إلى إدارة الغذاء والدواء للحصول على إذن بإجراء تجارب سريرية على البشر. تم اختيار ثلاثة مرضى تتراوح أعمارهم بين 45 إلى 75 عامًا والذين عانوا من عمى الشبكية لفترة طويلة كمرشحين.

قال آلان تشاو عن التجربة: "لقد اخترنا الأشخاص الذين يعانون من إعاقات شديدة، بحيث إذا تمكنوا من رؤية شيء ما على الأقل، ستكون النتائج مشجعة للغاية". "أردنا أن نبدأ في أقرب وقت ممكن، كنا قلقين فقط بشأن الاستنتاجات المتسرعة التي يمكن استخلاصها نتيجة للتجارب."

يؤكد مبتكرو الشبكية الاصطناعية أن أجهزتهم في الوقت الحالي غير قادرة على مساعدة المرضى على رؤية الطريقة التي يرى بها الأشخاص الأصحاء.

"يمكننا أن نتحدث عن نتيجة رائعة إذا كانت كثافة العناصر كافية لتمكين المرضى من رؤية الأجسام المتحركة. يقول لاري بلانكينشيب، المدير الإداري لشركة Optobionics: "من الناحية المثالية، يجب أن يكونوا قادرين على التعرف على أشكال الأشياء ومخططاتها الخارجية".

المخترعون ليسوا خائفين من رفض الزرع. وقال تشاو: "بمجرد زرع الشبكية الاصطناعية، يكون هناك فراغ حولها، وهو أمر يمكن التنبؤ به تماما". يمكن القول بالفعل أن شبكية العين الاصطناعية المصنوعة من السيليكون تعد إنجازًا علميًا هائلاً من شأنه أن يساعد في القضاء على خطر بعض أشكال العمى إلى الأبد.

مطور شبكية العين المصنوعة من السيليكون الاصطناعي (ASR - شبكية العين المصنوعة من السيليكون الاصطناعي) هو Optobionics. شبكية العين المصنوعة من السيليكون الاصطناعي عبارة عن دائرة كهربائية دقيقة يبلغ قطرها 2 مم وسمكها 0.025 مم، وتحتوي على ما يقرب من ثلاثة آلاف ونصف من الثنائيات الضوئية المجهرية، كل منها مجهز بقطب كهربائي محفز خاص به. تقوم الثنائيات الضوئية بتحويل الضوء إلى نبضات كهربائية يتم إخراجها إلى أقطاب كهربائية محفزة وتحفيز نهايات العصب البصري. الشبكية الاصطناعية تحاكي عمل العين على مستوى الطبقة المستقبلة للضوء. وبالتوازي مع زراعة الشبكية الاصطناعية، يتم تزويد المريض بعدسة لاصقة تضمن تركيز الضوء عليها بشكل محدد.

شبكية العين الاصطناعية، التي اقترحها باحثون أمريكيون في عام 2006 ويابانيون في عام 2007، عبارة عن مصفوفة رقيقة من الألومنيوم تحتوي على عناصر من أشباه الموصلات من السيليكون. تبلغ أبعاد الشريحة 3.5 × 3.3 ملم وتحتوي على 5760 ترانزستورًا ضوئيًا من السيليكون، والتي تلعب دور الخلايا العصبية الحساسة للضوء في شبكية العين الحية. ترتبط هذه الترانزستورات بـ 3600 ترانزستور آخر تحاكي الخلايا العصبية في شبكية العين التي تقوم بمعالجة المعلومات البصرية قبل إرسالها إلى الدماغ.

تتكيف الشريحة الجديدة بشكل جيد مع التغيرات في السطوع والتباين في المشهد المرصود، كما تتصور الأجسام المتحركة بشكل مثالي، وتسلط الضوء عليها على خلفية ثابتة. ومع ذلك، قبل بدء التجارب السريرية، يعتزم المبتكرون الأمريكيون وضع اللمسات الأخيرة على مشروعهم - لتقليل حجم الشريحة وتقليل استهلاكها للطاقة.

وفقًا لمبدأ التشغيل، تشبه شبكية العين الاصطناعية الشبكية الحقيقية: عندما تضرب أشعة الضوء أشباه الموصلات، يتم إنشاء جهد كهربائي، والذي، كإشارة بصرية، يجب نقله إلى الدماغ وإدراكه في شكل صورة.

وفي عام 2009 نجح باحثون أمريكيون في ربط الخلايا العصبية بغشاء متوافق حيويا ينتج تيارا كهربائيا ضعيفا عند تعرضه للضوء. أساس الشبكية الاصطناعية هو فيلم رقيق، وهو عبارة عن “ساندويتش” من طبقتين: طبقة من جزيئات تيلورايد الزئبق النانوية وطبقة موجبة الشحنة من بوليمر PDDA. قام العلماء بربط كلتا الطبقتين باستخدام غراء خاص ووضعوا طبقة من الأحماض الأمينية المتوافقة حيويًا على سطح "الساندويتش" حتى تتمكن الخلايا العصبية من التفاعل بسهولة مع الفيلم. وضع العلماء ثقافة الخلايا العصبية على الفيلم. وبمجرد أن بدأت الفوتونات في الوصول إلى سطحه، امتصت الجسيمات النانوية الموجودة في الفيلم الفوتونات، وأنتجت إلكترونات تمر عبر طبقة من بوليمر PDDA مما أدى إلى توليد تيار كهربائي ضعيف. وبمجرد وصول التيار إلى غشاء الخلية العصبية، حدثت عملية زوال استقطابها، وبدأ انتشار الإشارة العصبية، مما يدل على وجود فيلم من الضوء في هذه المنطقة.

في السابق، حقق العلماء بالفعل نجاحات معينة في مجال تحفيز الخلايا العصبية من خلال واجهات السيليكون. ومع ذلك، فإن الدقة في اكتشاف الضوء وكثافته التي يوفرها الفيلم الذي يحتوي على جسيمات نانوية لم يتم تحقيقها بعد. وستكون شبكية العين الاصطناعية، التي تم إنشاؤها على أساس اكتشاف العلماء، قادرة على إعادة إنتاج تشبع لون الأشياء، ناهيك عن الدقة العالية. كما أن شبكية العين متوافقة بيولوجيًا مع الأنسجة البشرية بسبب استخدام البوليمرات. على العكس من ذلك، فإن نظائر السيليكون أكثر صعوبة في التكيف مع العمل الكامل في جسم الإنسان. ميزة ثورية أخرى للشبكية الاصطناعية هي أنها لا تعتمد على مصادر الطاقة الخارجية و"تعمل" فور سقوط الضوء عليها