Американские ученые изучали нейронный код клеток сетчатки у мышей. В результате были полученные данные, которые использовали при создании искусственного глаза. Это устройство потенциально может восстановить зрения слепым мышам. Другие ученые таким же образом изучали код сетчатки у обезьян. Оказалось, что структура и нейронная активность ее во многом схожа с человеческой. Авторы этих работ считают, что эти исследования помогут создать устройство, которое после тестирования поможет слепым людям вновь обрести зрение.

Важно отметить, что по задумке исследователей, искусственная сетчатка поможет видеть не только контуры предметов, но способна даже восстановить зрительную функцию в полном объеме. То есть ранее слепой пациент сможет различать мелкие детали, например, черты лица собеседника. В настоящий момент исследование находится на стадии апробации на животных, которые могут различать движущиеся предметы.

Основной задачей ученых на этом этапе является создание очков или устройства в виде обруча, при помощи которых внешний свет будет собираться и преобразовываться в специфический электронный код. Далее этот код в центральных структурах мозга будет трансформироваться в изображение.

Заболевания сетчатки стоят на первом месте среди причин слепоты. Однако, даже при повреждении всех фоторецепторных клеток, зрительный нерв обычно не повреждается, то есть сохранен нервный выходной путь глазного яблока. Современные протезы применяют этот факт. При этом в глаз слепого человека имплантируют специальные электроды. Они стимулируют ганглиозные нервные клетки. Но при этом можно получить только расплывчатую картинку, то есть человек воспринимает очертания предметов.

Еще одним альтернативным методом лечения слепоты является стимуляция клеток посредством светочувствительных белков. Их вводят в сетчатку глазного яблока с применением методов генной терапии. При попадании в сетчатки, эти белки стимулируют одновременно большое количество ганглиозных клеток.

Однако, для формирования четкого изображения, необходимо установить код сетчатки, то есть тот путь преобразования света в электрический импульс, который использует природа. В противном случае сформированные импульсы будут непонятны нейронам мозга и построение четкого изображения станет невозможным.

Сначала ученые пытали получить этот код, используя простые предметы, к которым относят, например, геометрические фигуры. Доктор неврологии Шейла Ниренберг предположила, что код сетчатки должен быть однотипным как для построения простых геометрических фигур, так и для создания более сложных картин (человеческие лица, пейзажи). Во время работы над этой теорией Ш. Ниренберг поняла, что гипотеза однотипности подходит для протезирования сетчатки. Она провела простой эксперимент, во время которого мини-проектор, которым управлял расшифрованный код, посылал электрические импульсы в ганглиозные клетки мышей. В эти клетки при помощи методик генной инженерии предварительно были встроены светочувствительные белки.

При анализе результатов, которые получены в серии экспериментов, было установлено, что качество зрения мыши, которой был имплантирован этот проектор, ничем не отличается от зрительной функции здорового грызуна.

Эта инновационная технология дает надежду огромному количеству пациентов с нарушением зрения. В связи с тем, что лекарственная терапия помогает лишь небольшой части ослепших людей, протез сетчатки будет очень востребован в клинической практике.

Сетчатка – важнейшая часть глаза. Она состоит из миллионов светочувствительных фоторецепторов, которые отвечают как за цветное, так и за сумеречное зрение. Повреждение фоторецепторов – палочек и колбочек – в результате различных заболеваний ведет к постепенному ухудшению зрения и полной его потере.

Очень часто заболевания (среди которых пигментная дистрофия сетчатки) приводят к разрушению лишь самих фоторецепторов, никак не затрагивая нейроны сетчатки. Исследователи уже предпринимали попытки справиться с такой слепотой, используя, например, бионический глаз. В сетчатку пациентов встраивали специальный микрочип, оборудованный электродами. Пациенты предлагалось пользоваться очками с видеокамерой, сигнал от которой передавался сначала к чипу, а потом – в головной мозг.

Ученые из Итальянского технологического института (Italian Institute of Technology) предложили принципиально иной подход, создав искусственную сетчатку, которую можно имплантировать в глаз пациента. «Протез сетчатки» состоит из нескольких слоев: проводящего полимерного материала, субстрата на основе шелка и слоя полупроводника. Именно он улавливает фотоны, поступающие через зрачок – это приводит к электростимуляции нейронов сетчатки и дальнейшей передаче сигнала в головной мозг.

Исследователи уже испытали свое изобретение на крысах, страдавших дегенерацией сетчатки. Спустя месяц после операции по установке имплантата ученые оценили зрачковый рефлекс у животных с искусственной сетчаткой, животных, не проходивших лечение и здоровых крыс.

Реакция на низкую освещенность (1 люкс), сопоставимую освещенностью во время полнолуния, у крыс с дегенерацией сетчатки и тех, кому установили имплантат, практически не отличалась. Однако на более яркий свет прооперированные животных реагировали практически также как здоровые.

Через 6 и 10 месяцев после операции тестирование повторили – зрение у всех животных стало хуже, так как крысы постарели, но эффект от установки искусственной сетчатки по-прежнему сохранялся. Авторы также показали, что под действием света активировалась первичная зрительная кора – именно та область головного мозга, которая отвечает за переработку зрительной информации.

Исследователи признают, что пока не до конца понимают как функционирует искусственная сетчатка – это еще предстоит выяснить. Также пока неясно, поможет ли новый протез людям – не всегда результаты, полученные на животных, удается повторить на пациентах. Однако Грация Пертиле (Grazia Pertile), одна из членов исследовательской группы, поясняет, что сетчатку могут начать испытывать на людях уже во второй половине этого, 2017, года, а первые результаты этих испытаний будут получены к началу 2018.

22/08/2018, 14:47 1.6k Просмотров 293 Нравится

credit: Natalia Hutanu / TUM
Ученые не просто так называют графен «суперматериалом» . Несмотря на то, что он состоит из всего лишь одного слоя атомов углерода, это очень сильный, супер гибкий и сверхлегкий материал, который также проводит электричество и биодеградирует. Недавно международная команда исследователей нашла способ использовать графен для создания искусственной сетчатки глаза. Сетчатка представляет собой слой светочувствительных клеток во внутренней оболочке глаза, ответственные за преобразование изображения (электромагнитное излучение видимой части спектра) в нервные импульсы, которые мозг может интерпретировать. И если этот тонкий слой клеток не функционирует, то человек просто ничего не видит.

В настоящее время миллионы людей по всему миру страдают от заболеваний сетчатки, которые лишают их зрения. Чтобы помочь им увидеть снова, ученые несколько лет назад разработали искусственную сетчатку. Однако все существующие решения сложно назвать идеальными, поскольку имплантаты жесткие и плоские, поэтому изображение, которое они производят, часто выглядит размытым и искаженным. И хотя имплантаты достаточно хрупкие, они также могут повредить близлежащие ткани глаза.

Поэтому графен со всеми его уникальными свойствами может стать ключом к созданию лучшей искусственной сетчатки. Используя сочетание графена, дисульфида молибдена (другой двумерный материал), золота, оксида алюминия и нитрата кремния, исследователи из Техасского университета и Сеульского национального университета создали искусственную сетчатку, которая функционирует намного лучше, чем все существующие модели. Основываясь на лабораторных исследованиях и тестах на животных, ученые определили, что их искусственная сетчатка из графена является биосовместимой и способной имитировать функции человеческого глаза. Кроме этого, она лучше соответствует размерам естественной сетчатки человеческого глаза.

Разработчиком искусственной кремниевой сетчатки (ASR -- Artificial Silicon Retina) является фирма Optobionics. Искусственная кремниевая сетчатка - это микросхема диаметром 2 мм и толщиной 0,025 мм, содержащая приблизительно три с половиной тысячи микроскопических фотодиодов, каждый из которых снабжен собственным стимулирующим электродом. Фотодиоды преобразуют свет в электрические импульсы, выводящиеся на стимулирующие электроды и возбуждающие зрительные нервные окончания. Искусственная сетчатка осуществляет имитацию работы глаза на уровне фоторецепторного слоя. Параллельно с вживлением искусственной сетчатки пациенту устанавливается контактная линза, обеспечивающая фокусировку света именно на нее.

Предложенная американскими исследователями в 2006 г., японскими - в 2007 г. искусственная сетчатка представляет собой тончайшую алюминиевую матрицу с полупроводниковыми элементами из кремния. Чип имеет размеры 3,5 х 3,3 миллиметра и содержит 5760 кремниевых фототранзисторов, которые играют роль светочувствительных нейронов в живой сетчатке. Эти транзисторы связаны с другими 3600 транзисторами, которые подражают нервным клеткам сетчатки, осуществляющим предварительную обработку зрительной информации перед отправкой в мозг.

Новый чип хорошо приспосабливается к изменениям в яркости и контрастности наблюдаемой сцены, а также прекрасно воспринимает движущиеся предметы, выделяя их на неподвижном фоне. Однако перед началом клинических испытаний американские новаторы намерены доработать свой проект - уменьшить размеры чипа и снизить его энергопотребление.

По принципу действия искусственная сетчатка напоминает настоящую: при попадании лучей света в полупроводниках образуется электрическое напряжение, которое в качестве зрительного сигнала должно передаваться в мозг и восприниматься в виде изображения.

В 2009 г. американским исследователям удалось связать нервные клетки с биосовместимой пленкой, вырабатывающей под действием света слабый электрический ток. Основа искусственной сетчатки – тонкая пленка, представляющая собой «бутерброд» из двух слоев: слоя наночастиц теллурида ртути и положительно заряженного слоя полимера PDDA. Оба слоя ученые соединили с помощью специального клея и нанесли на поверхность «бутерброда» биосовместимое аминокислотное покрытие, чтобы нервные клетки могли без проблем взаимодействовать с пленкой. На пленке ученые разместили культуру нейронов. Как только фотоны начали попадать на ее поверхность, в пленке наночастицы абсорбировали фотоны, производя при этом электроны, проходящие через слой полимера PDDA, вырабатывающего слабый электрический ток. Как только ток доходил до клеточной мембраны нейронов, происходил процесс ее деполяризации, и начиналось распространение нервного сигнала, свидетельствующее о наличие в этой области пленки света.

Ранее учеными уже были достигнуты определенные успехи в области стимуляции нейронов через кремниевые интерфейсы. Однако той точности в детекции света и его интенсивности, какую предоставляет пленка с наночастицами, до сих пор не удавалось достичь. Искусственная сетчатка, созданная на базе открытия ученых, сможет даже воспроизводить цветовую насыщенность объектов, не говоря уже о высоком разрешении. Также сетчатка биологически совместима с тканями человека, благодаря использованию полимеров. Кремниевые же аналоги напротив, труднее приспособить для полноценной работы в теле человека. Еще одна революционная особенность искусственной сетчатки – то, что она не зависит от внешних источников питания и «включается» сразу же после попадания на нее света

Биологические сенсорные системы компактны и эффективно расходуют энергию. При попытке создания полупроводниковый аналог сетчатки, сталкиваются с большими трудностями: при толщине 0,5 мм она весит 0,5 г и потребляет 0,1 Вт.

Рис. 8.

Биологическая сетчатка.

Клетки сетчатки связаны сложной сетью возбуждающих (односторонние стрелки), подавляющих (линии с кружками на конце) и двунаправленных (двусторонние стрелки) сигнальных связей. Такая схема вырабатывает селективные ответы четырех типов ганглионарных клеток (внизу), которые составляют 90% волокон зрительного нерва, передающих зрительную информацию в мозг. Ганглионарные клетки включения "Вкл." (зеленые) и выключения "Выкл." (красные) возбуждаются, когда локальная интенсивность света выше или ниже, чем на окружающем участке. Ганглионарные клетки возрастания "Инк." (синие) и убывания "Дек." (желтые) генерируют импульсы, когда интенсивность света увеличивается или уменьшается.

Рис. 8.

Кремниевая сетчатка

В электронных моделях сетчатки аксоны и дендриты каждой клетки (сигнальные связи) заменяются металлическими проводниками, а синапсы - транзисторами. Перестановки такой конфигурации создают возбуждающие и запрещающие взаимодействия, которые имитируют связи между нейронами. Транзисторы и соединяющие их проводники располагаются на кремниевых чипах, различные участки которых играют роль различных слоев клеток. Большие зеленые площадки - фототранзисторы, преобразующие свет в электрические сигналы.

На ранней стадии развития глаза ганглионарные клетки сетчатки направляют свои аксоны в тектум, сенсорный центр среднего мозга. Аксоны сетчатки направляются с помощью следов химических соединений, выделяемых соседними клетками тектума, которые активируются одновременно; в результате нейроны, возбуждающиеся одновременно, связываются. В итоге в среднем мозге формируется карта пространственного расположения сенсоров сетчатки.

Чтобы смоделировать этот процесс, используют программируемые проводники для создания самоорганизующихся связей между клетками в чипе сетчатки Visio1 (вверху) и чипе искусственного тектума Neurotrope1 (внизу). Электрические выходные импульсы направляются от искусственных ганглионарных клеток к клеткам тектума через микросхему памяти (ОЗУ) (в середине). Чип сетчатки выдает адрес возбужденного нейрона, а чип тектума воспроизводит импульс возбуждения в соответствующем месте. В нашем примере искусственный тектум дает команду ОЗУ поменять местами адреса 1 и 2. В результате окончание аксона ганглионарной клетки 2 перемещается к клетке тектума 1, вытесняя аксон ганглионарной клетки 3. Аксоны реагируют на градиент электрического заряда, освобожденного возбужденной клеткой и помогающего перенаправить соединения.

После многократного возбуждения блоков соседствующих нейронов искусственной сетчатки (выделенные треугольники вверху слева) конечные точки аксонов клеток тектума, которые вначале были разбросаны (выделенные треугольники внизу слева), сближаются и образуют более однородные полосы (внизу справа).

Рис. 9.

Искусственные сетчатки "Аргус" (Argus) были успешно вживлены шестерым слепым пациентам, позволив им вновь видеть свет и обнаруживать движение крупных ярких объектов.

Рис. 10.

Эта система объединяет крошечный электронный глазной имплантат с видеокамерой, установленной на тёмных очках. Решётка из 16 электродов в имплантате соединяется с сетчаткой, воздействуя на фоторецепторы. Сигнал, подаваемый на них, проходит длинный путь от камеры: через обрабатывающий процессор, затем -- по радиоканалу к приёмнику, расположенному за ухом, и далее -- по проводам, протянутым под кожей, к глазному имплантату. Система может работать только с пациентами, у которых ослаблены и повреждены фоторецепторы сетчатки, но здоров глазной нерв.

Предпринимаются попытки воспроизводить нейронные структуры и их функции. Это называют морфингом (отображением) нервных связей на кремниевые электронные цепи. Таким образом создаются нейроморфные микрочипы путем морфинга сетчатки - нервной ткани толщиной 0,5 мм, покрывающей заднюю стенку глаза. Сетчатка состоит из пяти специализированных слоев нервных клеток и выполняет предварительную обработку визуальных изображений (образов), извлекая полезную информацию, не обращаясь к мозгу и не расходуя его ресурсы.

Кремниевая сетчатка воспринимает движения головы человека. Четыре типа кремниевых ганглионарных клеток на чипе Visio1 имитируют реальные клетки сетчатки и выполняют предварительную обработку визуальной информации. Одни клетки реагируют на темные области (красные), другие - на светлые (зеленые). Третий и четвертый наборы клеток следят за передними (желтые) и задними (синие) границами объектов. Черно-белые изображения, получаемые при декодировании, демонстрируют то, что слепой человек мог бы видеть с помощью нейроморфного имплантата сетчатки.