Немецкие ученые разработали имплантируемую искусственную сетчатку глаза.
В эксперименте она частично вернула трем пациентам, ослепшим в результате наследственной дистрофии сетчатки, пишет The Daily Telegraph.
Предыдущие устройства с подобным предназначением представляли собой камеру и процессор, которые нужно носить наподобие очков. Бионический имплантат, разработанный фирмой Retinal Implant AG совместно с Институтом офтальмологических исследований при Университете Тюбингена, вживляется прямо под сетчатку и использует оптический аппарат глаза. Таким образом, он является непосредственной заменой утраченных световых рецепторов.
Получаемое с помощью бионической сетчатки черно-белое изображение стабильно и соответствует движениям глазного яблока.
Трое пациентов, принявших участие в испытаниях прибора, через несколько дней после операции смогли различать формы объектов. У одного из них зрение улучшилось настолько, что он начал свободно ходить по помещению, подходить к людям, видеть стрелки часов и различать семь оттенков серого цвета.
По словам профессора Эберхарта Цреннера (Eberhart Zrenner), возглавляющего Глазную больницу Университета Тюбингена, пилотные испытания убедительно доказали, что имплантат способен восстановить зрение людей с дистрофией сетчатки в достаточном для повседневной жизни объеме. Правда, отметил он, внедрение устройства в клиническую практику займет немало времени.
Бионическую сетчатку, по мнению ученых, можно будет применять при слепоте, вызванной пигментным ретинитом и другими дистрофическими заболеваниями сетчатки.
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.
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.
Искусственное зрение все больше становится реальностью как в науке, так и медицине - сочинители фантастических романов о таком и не помышляли. Летом прошлого года первые изготовленные из кремния искусственные сетчатки были имплантированы трем слепым пациентам. Все трое страдали почти полной потерей зрения, вызванной retinitis pigmentosa (RP), - болезнью глаз, повреждающей ночное и периферийное зрение. Они выписались из больницы на следующий после операции день.
Изобрели искусственную кремниевую сетчатку (ASR, от artificial silicon retina) основатели компании Optobionics братья Винсент и Алан Чоу. ASR представляет собой микросхему диаметром 2 мм и толщиной меньше человеческого волоса. На кремниевой пластине размещается порядка 3500 микроскопических солнечных элементов, которые преобразуют свет в электрические импульсы.
Микросхема, созданная для замены поврежденных фоторецепторов - светочувствительных элементов глаза, преобразующих в здоровом глазу свет в электрический сигналы, - работает от внешнего света, у нее нет батареек или проводов. Искусственная кремниевая сетчатка хирургическим способом имплантируется под сетчаткой пациента, в так называемом подсетчаточном пространстве, и генерирует визуальные сигналы, сходные с сигналами, производимыми биологическим фоторецепторным слоем.
В действительности ASR работает с фоторецепторами, еще не утратившими возможность функционировать. «Если микросхема сможет с ними взаимодействовать в течение некоторого продолжительного времени, значит, мы движемся к цели верной дорогой», - уверен Алан Чоу.
Люди, страдающие retinitis pigmentosa, постепенно утрачивают фоторецепторы. Вообще же это собирательное название многих заболеваний глаз, в результате которых происходит разрушение фоторецепторного слоя.
Возрастное возникновение пятен на роговице (AMD, от age-related macular degeneration), по мнению братьев Чоу, также поддается коррекции с помощью искусственной кремниевой сетчатки. Пятна на роговице являются следствием старения организма, но точная причина пока не известна. От подобных болезней страдают более 30 млн. населения планеты, они часто приводят к неизлечимой слепоте.
На сегодняшний день ASR не в состоянии справиться с глаукомой, связанной с повреждением нерва, и не помогает при диабете, приводящем к появлению рубцов на сетчатке. Бессильна искусственная сетчатка при сотрясениях и других мозговых травмах.
«Сейчас мы пытаемся понять, куда двигаться дальше, - рассказывают о своих планах братья Чоу. - Как только удастся определиться, можно будет поэкспериментировать с изменением параметров».
Естественное и искусственное зрение
Процесс «видения» можно сравнить с работой фотокамеры. В фотокамере световые лучи проходят через набор линз, фокусирующих изображение на пленке. В здоровом глазу лучи света проходят через роговицу и хрусталик, который фокусирует изображение на сетчатке, представляющей собой слой светочувствительных элементов, выстилающих заднюю поверхность глаза.
Пятно (macula) - это область сетчатки, получающая и обрабатывающая детальные изображения и посылающая их в мозг по зрительному нерву. Многослойное пятно обеспечивает изображениям, которые мы видим, высочайшую степень разрешения. Повреждено пятно - ухудшается зрение. Что делать в этом случае? Вводить ASR.
Тысячи микроскопических элементов ASR подсоединены к электроду, преобразующему входящие световые изображения в импульсы. Эти элементы стимулируют работу оставшихся работоспособных элементов сетчатки и вырабатывают визуальные сигналы, сходные с сигналами, генерируемыми здоровым глазом. «Искусственные» сигналы могут быть затем обработаны и посланы по зрительному нерву в мозг.
В экспериментах с животными в 80-х годах братья Чоу стимулировали ASR инфракрасным светом и регистрировали отклик сетчатки. Но животные, к сожалению, не могут говорить, поэтому неизвестно, что же, в сущности, происходило.
Более существенные результаты
Около трех лет назад братья собрали достаточное количество данных для того, чтобы обратиться в Управление питания и лекарственных препаратов за разрешением на проведение клинических экспериментов с участием человека. В качестве кандидатов были выбраны три пациента в возрасте от 45 до 75 лет, долгое время страдавших сетчаточной слепотой.
«Мы отобрали людей с наиболее серьезными нарушениями, так что если им удастся хоть что-то увидеть, результаты будут самыми обнадеживающими, - рассказал об эксперименте Алан Чоу. - Нам хотелось начать как можно скорее, мы тревожились только по поводу слишком поспешных выводов, которые могут быть сделаны в результате экспериментов».
Создатели искусственной сетчатки подчеркивают, что в настоящий момент их устройство не в состоянии помочь пациентам видеть так, как делают это здоровые люди.
«Можно будет говорить о блестящем результате, если плотность элементов окажется достаточной, чтобы пациенты могли видеть движущиеся объекты. В идеале им нужно различать формы и очертания предметов», - говорит Ларри Бланкеншип, управляющий директор компании Optobionics.
Отторжения имплантанта изобретатели не боятся. «Как только искусственная сетчатка имплантирована, вокруг нее образуется вакуум, это вполне предсказуемо», - считают Чоу. Уже можно утверждать, что искусственная кремниевая сетчатка - монументальное научное достижение, которое поможет навсегда избавиться от угрозы некоторых форм слепоты.
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
