I sistemi di sensori biologici sono compatti ed efficienti dal punto di vista energetico. Quando si tenta di creare un analogo semiconduttore della retina, incontrano grandi difficoltà: con uno spessore di 0,5 mm, pesa 0,5 ge consuma 0,1 W.

Riso. 8.

Retina biologica.

Le cellule della retina sono collegate da una complessa rete di connessioni di segnalazione eccitatorie (frecce unidirezionali), inibitorie (linee con cerchi all'estremità) e bidirezionali (frecce a doppia punta). Questo circuito produce risposte selettive da quattro tipi di cellule gangliari (in basso), che costituiscono il 90% delle fibre del nervo ottico che trasmettono informazioni visive al cervello. Inclusione delle cellule gangliari "On" (verde) e disattivare "Off". (rossi) si eccitano quando l'intensità della luce locale è maggiore o minore rispetto all'area circostante. Cellule Gangliari Inc. (blu) e discendente "Dic." (giallo) generano impulsi quando l'intensità della luce aumenta o diminuisce.

Riso. 8.

Retina di silicio

Nei modelli elettronici della retina, gli assoni e i dendriti di ciascuna cellula (connessioni di segnale) sono sostituiti da conduttori metallici e le sinapsi da transistor. Le permutazioni di questa configurazione creano interazioni eccitatorie e inibitorie che imitano le connessioni tra neuroni. I transistor e i conduttori che li collegano si trovano su chip di silicio, le cui diverse sezioni fungono da diversi strati di celle. I grandi pad verdi sono fototransistor che convertono la luce in segnali elettrici.

All'inizio dello sviluppo dell'occhio, le cellule gangliari della retina inviano i loro assoni al tetto, il centro sensoriale del mesencefalo. Gli assoni retinali sono guidati da tracce di sostanze chimiche rilasciate dalle cellule tettali vicine che si attivano simultaneamente; Di conseguenza, i neuroni che si attivano simultaneamente si connettono. Di conseguenza, nel mesencefalo si forma una mappa della posizione spaziale dei sensori retinici.

Per modellare questo processo, vengono utilizzati fili programmabili per creare connessioni auto-organizzanti tra le cellule nel chip retinale Visio1 (in alto) e nel chip del tetto artificiale Neurotrope1 (in basso). Gli impulsi elettrici in uscita vengono diretti dalle cellule gangliari artificiali alle cellule del tetto attraverso un chip di memoria (RAM) (al centro). Il chip della retina fornisce l'indirizzo del neurone eccitato, mentre il chip del tetto riproduce l'impulso di eccitazione nel punto appropriato. Nel nostro esempio, il tetto artificiale ordina alla RAM di scambiare gli indirizzi 1 e 2. Di conseguenza, il terminale dell'assone della cellula gangliare 2 si sposta sulla cellula gangliare 1, spostando l'assone della cellula gangliare 3. Gli assoni rispondono a un gradiente di energia elettrica carica rilasciata dalla cellula eccitata e aiuta a reindirizzare le connessioni.

Dopo ripetuta eccitazione di blocchi di neuroni retinali artificiali adiacenti (triangoli evidenziati, in alto a sinistra), i punti finali assonali delle cellule del tetto, che inizialmente erano sparse (triangoli evidenziati, in basso a sinistra), si avvicinano e formano strisce più uniformi (in basso a destra).

Riso. 9.

Le retine artificiali Argus sono state impiantate con successo in sei pazienti ciechi, consentendo loro di vedere nuovamente la luce e rilevare il movimento di oggetti grandi e luminosi.

Riso. 10.

Questo sistema combina un minuscolo impianto oculare elettronico con una videocamera montata su occhiali scuri. Una serie di 16 elettrodi nell'impianto si collega alla retina, influenzando i fotorecettori. Il segnale inviato loro viaggia molto lontano dalla telecamera: attraverso il processore di elaborazione, quindi tramite un canale radio fino a un ricevitore situato dietro l'orecchio, e poi lungo fili tesi sotto la pelle fino all'impianto oculare. Il sistema può funzionare solo con pazienti i cui fotorecettori retinici sono indeboliti e danneggiati, ma il nervo ottico è sano.

Si stanno facendo tentativi per riprodurre le strutture neurali e le loro funzioni. Questo si chiama morphing (mappatura) delle connessioni neurali su circuiti elettronici in silicio. In questo modo, vengono creati microchip neuromorfici trasformando la retina, il tessuto nervoso spesso 0,5 mm che copre la parete posteriore dell'occhio. La retina è composta da cinque strati specializzati di cellule nervose ed esegue l'elaborazione preliminare delle immagini visive (immagini), estraendo informazioni utili senza accedere al cervello o esaurirne le risorse.

La retina di silicio percepisce i movimenti della testa umana. I quattro tipi di cellule gangliari di silicio presenti sul chip Visio1 imitano le cellule retiniche reali ed eseguono la pre-elaborazione visiva. Alcune cellule rispondono alle aree scure (rosse), altre alle aree chiare (verde). Il terzo e il quarto gruppo di cellule monitorano i confini anteriore (giallo) e posteriore (blu) degli oggetti. Le immagini in bianco e nero prodotte dalla decodifica mostrano ciò che un cieco potrebbe vedere con un impianto retinico neuromorfico.

22/08/2018, 14:47 1,6k Visualizzazioni 293 Come

credito: Natalia Hutanu / TUM
Gli scienziati non chiamano grafene per niente "supermateriale". Anche se è costituito da un solo strato di atomi di carbonio, è un materiale molto resistente, super flessibile e super leggero che conduce anche elettricità ed è biodegradabile. Recentemente, un team internazionale di ricercatori ha trovato un modo per utilizzare il grafene per creare retina artificiale occhi. La retina è uno strato di cellule sensibili alla luce nel rivestimento interno dell'occhio responsabile della conversione delle immagini (radiazione elettromagnetica nello spettro visibile) in impulsi nervosi che il cervello può interpretare. E se questo sottile strato di cellule non funziona, la persona semplicemente non vede nulla.

Attualmente milioni di persone in tutto il mondo soffrono di malattie della retina che le privano della vista. Per aiutarli a vedere di nuovo, diversi anni fa gli scienziati hanno sviluppato una retina artificiale. Tuttavia, tutte le soluzioni esistenti sono difficili da definire ideali, poiché gli impianti sono rigidi e piatti, quindi l'immagine che producono appare spesso sfocata e distorta. Sebbene gli impianti siano piuttosto fragili, possono anche danneggiare il tessuto oculare vicino.

Pertanto, il grafene, con tutte le sue proprietà uniche, potrebbe essere la chiave per creare una retina artificiale migliore. Utilizzando una combinazione di grafene, bisolfuro di molibdeno (un altro materiale bidimensionale), oro, ossido di alluminio e nitrato di silicio, i ricercatori dell'Università del Texas e della Seoul National University hanno creato una retina artificiale che funziona molto meglio di tutti i modelli esistenti. Sulla base di studi di laboratorio e test sugli animali, gli scienziati hanno determinato che i loro retina artificiale in grafeneè biocompatibile e capace di imitare le funzioni dell'occhio umano. Inoltre, corrisponde meglio alle dimensioni della retina naturale dell'occhio umano.

MOSCA, 13 maggio - RIA Novosti. Secondo un articolo pubblicato sulla rivista Nature Photonics, i biotecnologi americani hanno creato un prototipo di retina artificiale che non richiede un sistema di alimentazione e funziona con energia infrarossa.

Oggi gli scienziati di tutto il mondo stanno sviluppando diversi tipi di impianti che, in teoria, possono ripristinare la vista persa a causa di malattie degenerative o incidenti. In alcuni casi, i biologi stanno sperimentando cellule staminali o singole cellule della retina, in altri fisici e biotecnologi stanno cercando di adattare vari dispositivi elettronici per funzionare con il cervello di esseri umani e animali. Ma finora non è stato fatto alcun progresso significativo in nessuno studio.

Occhio cibernetico

Un gruppo di scienziati guidati da James Loudin dell'Università di Stanford (USA) ha sviluppato un nuovo tipo di retina elettronica adatta per ottenere immagini ad alta definizione e che non richiede una fonte di alimentazione esterna, il principale ostacolo allo sviluppo di tali tecnologie.

"La nostra invenzione funziona più o meno allo stesso modo dei pannelli solari sul tetto di una casa, convertendo la luce in impulsi elettrici. Tuttavia, nel nostro caso, l'elettricità non alimenta il frigorifero, ma viene inviata alla retina come segnale", ha spiegato uno dei membri del team, Daniel Palanker (Daniel Palanker).

La retina artificiale dell'occhio di Laudin e dei suoi colleghi è un insieme di tante microscopiche singole piastre di silicio che combinano un elemento fotosensibile, un generatore di elettricità e alcuni altri elementi. Affinché questa retina funzioni, sono necessari occhiali speciali con una videocamera incorporata e un computer tascabile che elabori l'immagine.

Questo dispositivo funziona come segue: una telecamera con gli occhiali converte continuamente la luce in porzioni di impulsi elettronici. Ogni "fotogramma" viene elaborato su un computer, diviso in due metà - per gli occhi destro e sinistro e trasmesso agli emettitori a infrarossi sul retro delle lenti degli occhiali. Gli occhiali emettono brevi impulsi di radiazione infrarossa, che attivano i fotosensori sulla retina dell'occhio e fanno sì che trasmettano impulsi elettrici che codificano l'immagine ai neuroni ottici.

"Gli impianti moderni sono molto ingombranti e l'intervento chirurgico per inserire tutti i componenti necessari nell'occhio è incredibilmente complesso. Nel nostro caso, il chirurgo deve solo praticare una piccola incisione nella retina e immergere sotto di essa la componente fotosensibile del dispositivo, " continuò Palanker.

Intuizione a infrarossi

Secondo gli scienziati, l’uso della luce infrarossa per trasmettere informazioni presenta due vantaggi chiave. In primo luogo, consente di aumentare la potenza dell'impulso a valori molto elevati senza causare dolore alle cellule viventi della retina, poiché le cellule sensibili alla luce non rispondono alla radiazione infrarossa. In secondo luogo, l’elevata potenza delle radiazioni migliora la chiarezza dell’immagine nei casi in cui i neuroni sotto la retina sono gravemente danneggiati o scarsamente reattivi agli impulsi elettrici.

Gli scienziati hanno testato il lavoro della loro invenzione su retine e tessuto nervoso prelevati da ratti vedenti e ciechi. In questo esperimento, hanno attaccato celle fotovoltaiche a piccoli pezzi della retina, collegato elettrodi ai neuroni adiacenti e monitorato se iniziavano a emettere impulsi quando esposti alla luce visibile e infrarossa.

La visione artificiale sta diventando sempre più una realtà sia nella scienza che nella medicina: gli scrittori di romanzi di fantascienza non se lo sarebbero mai sognato. L'estate scorsa, le prime retine artificiali in silicio sono state impiantate in tre pazienti ciechi. Tutti e tre hanno subito una perdita quasi totale della vista causata dalla retinite pigmentosa (RP), una malattia degli occhi che danneggia la visione notturna e periferica. Hanno lasciato l'ospedale il giorno dopo l'operazione.

La retina di silicio artificiale (ASR, da artificial silicon retina) è stata inventata dai fondatori di Optobionics, i fratelli Vincent e Alan Chow. L'ASR è un chip con un diametro di 2 mm e uno spessore inferiore a un capello umano. Su un wafer di silicio sono posizionate circa 3.500 microscopiche celle solari che convertono la luce in impulsi elettrici.

Il microcircuito, creato per sostituire i fotorecettori danneggiati – gli elementi sensibili alla luce dell'occhio che convertono la luce in segnali elettrici in un occhio sano – è alimentato dalla luce esterna e non ha batterie o fili. Una retina artificiale in silicio viene impiantata chirurgicamente sotto la retina del paziente, in quello che viene chiamato spazio sottoretinico, e genera segnali visivi simili a quelli prodotti dallo strato biologico dei fotorecettori.

In realtà, l'ASR funziona con fotorecettori che non hanno ancora perso la capacità di funzionare. "Se il chip può interagire con loro per un lungo periodo, allora ci stiamo muovendo verso l'obiettivo sulla strada giusta", è sicuro Alan Chow.

Le persone che soffrono di retinite pigmentosa perdono gradualmente i fotorecettori. In generale, questo è il nome collettivo di molte malattie degli occhi, a seguito della quale lo strato dei fotorecettori viene distrutto.

La degenerazione maculare legata all'età (AMD, da degenerazione maculare legata all'età), secondo i fratelli Chow, può essere corretta anche utilizzando una retina artificiale in silicio. Le macchie sulla cornea sono una conseguenza dell'invecchiamento, ma la causa esatta non è ancora nota. Più di 30 milioni di persone nel mondo soffrono di tali malattie, che spesso portano alla cecità incurabile.

Ad oggi, l’ASR non è stata in grado di trattare il glaucoma associato a danni ai nervi e non aiuta il diabete, che causa cicatrici retiniche. La retina artificiale è impotente in caso di traumi cerebrali e altre lesioni cerebrali.

"Ora stiamo cercando di capire dove trasferirci dopo", dicono i fratelli Chow riguardo ai loro piani. "Una volta che puoi decidere, puoi sperimentare la modifica dei parametri."

Visione naturale e artificiale

Il processo del “vedere” può essere paragonato al funzionamento di una macchina fotografica. In una macchina fotografica, i raggi luminosi passano attraverso una serie di lenti che focalizzano l'immagine sulla pellicola. In un occhio sano, i raggi luminosi passano attraverso la cornea e il cristallino, che focalizzano l'immagine sulla retina, che è lo strato di elementi sensibili alla luce che rivestono la superficie posteriore dell'occhio.

La macula è l'area della retina che riceve ed elabora immagini dettagliate e le invia al cervello lungo il nervo ottico. Lo spot multistrato conferisce alle immagini che vediamo il massimo grado di risoluzione. Se il punto è danneggiato, la vista si deteriora. Cosa fare in questo caso? Entra nell'ASR.

Migliaia di microscopici elementi ASR sono collegati a un elettrodo che converte le immagini luminose in arrivo in impulsi. Questi elementi stimolano i restanti elementi funzionali della retina e producono segnali visivi simili a quelli generati da un occhio sano. I segnali "artificiali" possono quindi essere elaborati e inviati al cervello lungo il nervo ottico.

Negli esperimenti sugli animali condotti negli anni '80, i fratelli Chow stimolarono l'ASR con luce infrarossa e registrarono la risposta retinica. Ma gli animali, purtroppo, non possono parlare, quindi non si sa cosa sia realmente accaduto.

Risultati più significativi

Circa tre anni fa, i fratelli raccolsero dati sufficienti per richiedere alla Food and Drug Administration il permesso di condurre esperimenti clinici sugli esseri umani. Sono stati selezionati come candidati tre pazienti di età compresa tra 45 e 75 anni che soffrivano da tempo di cecità retinica.

"Abbiamo selezionato le persone con le disabilità più gravi, in modo che se riescono a vedere almeno qualcosa, i risultati saranno i più incoraggianti", ha detto Alan Chow riguardo all'esperimento. "Volevamo iniziare il prima possibile, eravamo solo preoccupati delle conclusioni troppo affrettate che si potevano trarre a seguito degli esperimenti."

I creatori della retina artificiale sottolineano che al momento il loro dispositivo non è in grado di aiutare i pazienti a vedere come vedono le persone sane.

“Possiamo parlare di un risultato brillante se la densità degli elementi è sufficiente affinché i pazienti possano vedere gli oggetti in movimento. Idealmente, devono essere in grado di riconoscere le forme e i contorni degli oggetti”, afferma Larry Blankenship, amministratore delegato di Optobionics.

Gli inventori non hanno paura del rigetto dell'impianto. "Una volta impiantata la retina artificiale, si crea un vuoto attorno ad essa, il che è abbastanza prevedibile", ha detto Chow. Si può già sostenere che la retina artificiale in silicio è un risultato scientifico monumentale che aiuterà a eliminare per sempre la minaccia di alcune forme di cecità.

Nel 2018, 39 milioni di persone rimangono cieche. A causa di malattie ereditarie, invecchiamento dei tessuti, infezioni o lesioni. Uno dei motivi principali sono le malattie della retina. Ma la scienza si sta sviluppando così rapidamente che la fantascienza si sta spostando dai libri ai laboratori e alle sale operatorie, rimuovendo una barriera dopo l’altra. Di seguito esamineremo cosa riserva il futuro all'oftalmologia, come tratteranno (e stanno già trattando), ripristineranno la vista, diagnosticheranno disturbi e ripristineranno gli occhi dopo le operazioni.

Cyborgizzazione: occhi bionici

La tendenza principale nell'oftalmologia del futuro sono gli occhi bionici. Nel 2018 sono già 4 i progetti di successo e gli occhi artificiali sono ormai lontani dall'essere un'immagine di una fantasia futuristica.

Il progetto più interessante è Argus II di Second Sight. Il dispositivo è costituito da un impianto, occhiali, fotocamera, cavo e processore video. Un impianto contenente un trasmettitore viene impiantato nella retina. Una telecamera indossata con gli occhiali cattura le immagini che il processore elabora, generando un segnale; il trasmettitore dell'impianto lo riceve e stimola le cellule della retina. Ecco come viene ricostruita la visione. Lo sviluppo era originariamente destinato ai pazienti con degenerazione maculare. Questa è una malattia legata all'età, è accompagnata da uno scarso afflusso di sangue al centro della retina e porta alla cecità.

Qual è lo svantaggio della tecnologia? Il dispositivo costa la favolosa cifra di 150mila dollari e non ripristina completamente la vista, permettendo solo di distinguere le sagome delle figure. Nel 2017, 250 persone indossano l'Argus II, il che è certamente trascurabile.

Argus II ha analoghi. Ad esempio, l'impianto retinico di Boston. Inoltre è stato creato appositamente per i pazienti affetti da degenerazione maculare e retinite pigmentosa (decomposizione dei fotorecettori della retina). Funziona secondo un principio simile, inviando segnali alle cellule nervose e creando un'immagine schematica di un oggetto. Vale la pena menzionare IRIS, creato per i pazienti nelle ultime fasi di degradazione della retina. IRIS è costituito da una videocamera, un processore indossabile e uno stimolatore. Retina Implant AG si differenzia da loro. L'impianto cattura i fotoni e attiva il nervo ottico, mentre il dispositivo non necessita di una fotocamera esterna.

Impianti nel cervello

Stranamente, puoi trattare la vista senza toccare gli occhi. Per fare ciò è sufficiente impiantare un chip nel cervello, che stimolerà la corteccia visiva con brevi scariche elettriche. Second Sight, già citato, sta lavorando in questa direzione. L'azienda ha sviluppato una versione alternativa di Argus II, che non ha alcun effetto sugli occhi e funziona direttamente con il cervello. Il dispositivo stimolerà le cellule nervose con la corrente, informando il cervello del flusso di luce.

Retina artificiale

Abbiamo detto che la retinite pigmentosa colpisce i fotorecettori della retina, motivo per cui una persona smette di percepire la luce e diventa cieca. Questa malattia è geneticamente codificata. La retina è costituita da milioni di recettori. Una mutazione in uno solo dei 240 geni ne provoca la morte e compromette la vista, anche se i neuroni visivi ad essa associati sono intatti. Come comportarsi in questo caso? Impiantare una nuova retina. L'analogo artificiale è costituito da un polimero elettricamente conduttivo con un substrato di seta, avvolto in un polimero semiconduttore. Quando la luce cade, il semiconduttore assorbe i fotoni. Viene generata una corrente e scariche elettriche toccano i neuroni della retina. Un esperimento con i topi ha dimostrato che con un'illuminazione di 4-5 lux (Lux), come all'inizio del crepuscolo, i topi con impianti reagiscono alla luce allo stesso modo dei roditori sani. L'imaging ha confermato che la corteccia visiva dei ratti era attiva. Non è chiaro se lo sviluppo sarà utile alle persone. L'Istituto Italiano di Tecnologia (IIT) promette di riferire sui risultati degli esperimenti nel 2018.

Errore nel codice

I dispositivi indossabili, indossabili e incorporati non sono l'unica speranza per l'oftalmologia. Per ripristinare la vista è possibile riscrivere il codice genetico, a causa di un errore in cui una persona ha iniziato a diventare cieca. Il metodo CRISPR, che si basa sull’iniezione di una soluzione con un virus che trasporta la versione corretta del DNA, cura le malattie ereditarie. La correzione del codice aiuta a combattere la degenerazione retinica legata all'età, così come l'amaurosi di Leber, una malattia estremamente rara che uccide le cellule sensibili alla luce. Ne soffrono circa 6mila persone nel mondo. Il farmaco Luxturna promette di porre fine a tutto ciò. Contiene una soluzione con la versione corretta del gene RPE65, che crittografa la struttura delle proteine ​​necessarie. Questo è un farmaco iniettabile: viene iniettato nell'occhio con un ago microscopico.

Diagnosi e recupero dopo l'intervento chirurgico

Lo smartphone che ci accompagna ovunque è un ottimo strumento per una diagnosi rapida e precisa. Ad esempio, l'oftalmoscopio Peek Vision, sincronizzato con uno smartphone, consente di scattare immagini della retina ovunque e in qualsiasi momento. E Google nel 2016 ha introdotto un algoritmo di analisi delle immagini basato sull’intelligenza artificiale che consente di identificare i segni della retinopatia diabetica nelle immagini della retina. L'algoritmo cerca gli aneurismi più piccoli che indicano patologia. La retinopatia diabetica è un grave danno ai vasi sanguigni della retina dell'occhio, che porta alla cecità.

Il futuro risiede nel rapido recupero dopo l’intervento chirurgico. Un farmaco interessante è Cacicol, presentato da ricercatori turchi nel 2015. Il loro sviluppo allevia il dolore, l'aumento della sensibilità e il bruciore dopo un intervento chirurgico agli occhi. Il farmaco è già stato testato clinicamente: i pazienti a cui sono state cucite insieme le cornee (questo metodo è usato per trattare l'assottigliamento della cornea - cheratocono) hanno notato una diminuzione degli effetti collaterali.

Quale sarà la visione del futuro?

L'oftalmologia ha già ottenuto successi sorprendenti: la cecità precedentemente incurabile può essere invertita e le malattie ereditarie possono essere debellate riscrivendo diverse sezioni del codice genetico. In che direzione andrà lo sviluppo? Proviamo ad indovinare:

È meglio prevenire che curare. Un optometrista in uno smartphone e una rete neurale che fa una diagnosi promettono di ridurre significativamente il rischio di malattie oculari avanzate e difficilmente curabili. La realtà aumentata (AR) consentirà di diffondere la conoscenza medica in modo semplice e giocoso. Esistono già applicazioni AR che simulano le conseguenze della cataratta e del glaucoma. La conoscenza, come sappiamo, è potere. Sostituirlo se non è possibile curarlo. La cyborgizzazione è una tendenza medica chiave. Gli sviluppi attuali sono positivi, ma ricostruiscono solo parzialmente la visione, rendendo possibile distinguere i contorni sfocati. Nel corso dei prossimi 10 anni, la tecnologia continuerà a migliorare la qualità e i dettagli delle immagini. Un compito importante è eliminare i componenti indossabili: fotocamera, occhiali, cavo. L'impianto dovrebbe diventare più morbido e, si potrebbe dire, più amico dei tessuti umani, in modo da non ferirli. Probabilmente, i chip senza elementi ausiliari esterni, impiantati direttamente nel cervello, sono il ramo più promettente della cyborgizzazione della visione. Più economico e più accessibile: 150mila dollari per un dispositivo finora rendono gli occhi bionici molto lontani dal mercato e fuori dalla portata della maggior parte dei pazienti. Il prossimo passo è renderli il più accessibili possibile. Recupero in poche ore: l'impianto di chip, la correzione della retina e persino la correzione del DNA richiedono un intervento chirurgico. Lascia dolore, bruciore, dolore fantasma e altre conseguenze spiacevoli. I futuri farmaci rigenereranno i tessuti danneggiati entro poche ore. Visione fantastica per tutti: le istantanee scattate con l'occhio e con la retina connessa a Internet sembrano ormai fantascienza.