Retina artificiale. Visione del futuro: occhi artificiali, retine e impianti nel cervello

MOSCA, 13 maggio - RIA Novosti. Secondo un articolo pubblicato sulla rivista Nature Photonics, i biotecnologi americani hanno creato un prototipo di retina oculare 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 umano e animale. Tuttavia, finora non è stato fatto alcun progresso significativo in nessuno studio.

occhio cibernetico

Un gruppo di scienziati guidati da James Loudin (James Loudin) dell'Università di Stanford (USA) ha sviluppato un nuovo tipo di retina elettronica, adatta per l'imaging ad alta definizione e non richiede una fonte di alimentazione esterna - il principale ostacolo allo sviluppo di tale 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 gruppo Daniel Palanker ( Daniel Palanker).

La retina artificiale dell'occhio di Laudin e dei suoi colleghi è un insieme di molte microscopiche singole piastre di silicio che combinano un elemento sensibile alla luce, un generatore di elettricità e alcuni altri elementi. Questa retina richiede occhiali speciali con una videocamera incorporata e un computer tascabile che elabora 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 un'immagine ai neuroni ottici.

"Gli impianti moderni sono molto ingombranti e le operazioni per inserire nell'occhio tutti i componenti necessari sono incredibilmente difficili. Nel nostro caso, il chirurgo deve solo fare una piccola incisione sulla 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 sulle retine degli occhi e sul tessuto nervoso prelevati da ratti vedenti e ciechi. In questo esperimento, hanno attaccato fotocellule a piccoli pezzi della retina, collegato elettrodi ai neuroni vicini e osservato per vedere 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 ci hanno nemmeno pensato. 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 a causa della retinite pigmentosa (RP), una malattia degli occhi che danneggia la visione notturna e periferica. Sono stati dimessi dall'ospedale il giorno dopo l'operazione.

La retina artificiale in silicio (ASR) è stata inventata dai fondatori di Optobionics, i fratelli Vincent e Alan Chow. L'ASR è un microcircuito 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, progettato 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, non ha batterie né fili. La retina artificiale in silicio viene impiantata chirurgicamente sotto la retina del paziente, nel cosiddetto spazio sottoretinico, e genera segnali visivi simili a quelli prodotti dallo strato biologico dei fotorecettori.

Infatti, l’ASR funziona con fotorecettori che non hanno ancora perso la capacità di funzionare. "Se il microcircuito 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 loro fotorecettori. In generale, questo è il nome collettivo di molte malattie degli occhi, a seguito della quale lo strato dei fotorecettori viene distrutto.

La comparsa di macchie sulla cornea legate all'età (AMD, da degenerazione maculare legata all'età), secondo i fratelli Chow, può essere corretta anche con una retina artificiale in silicio. Le macchie sulla cornea sono una conseguenza dell'invecchiamento del corpo, ma la causa esatta non è ancora nota. Più di 30 milioni della popolazione mondiale 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 contro il diabete, che porta a cicatrici retiniche. La retina artificiale è impotente in caso di commozioni cerebrali e altre lesioni cerebrali.

"Ora stiamo cercando di capire dove andare dopo", i fratelli Chow parlano dei loro piani. "Una volta che avremo deciso, potremo 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 mettono a fuoco l'immagine sulla pellicola. In un occhio sano, i raggi luminosi passano attraverso la cornea e il cristallino, che focalizza l'immagine sulla retina, che è lo strato di elementi sensibili alla luce che rivestono la parte posteriore dell'occhio.

La macula è un'area della retina che riceve ed elabora immagini dettagliate e le invia al cervello tramite il nervo ottico. Lo spot a strati fornisce le immagini che vediamo con il massimo grado di risoluzione. Il punto è danneggiato: la vista peggiora. 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 il lavoro dei 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 attraverso il nervo ottico.

Negli esperimenti sugli animali condotti negli anni '80, i fratelli Chow stimolarono l'ASR con luce infrarossa e registrarono la risposta della retina. Ma gli animali, sfortunatamente, non possono parlare, quindi non si sa cosa sia successo, in sostanza.

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 disabilità più gravi, quindi se riescono a vedere almeno qualcosa, i risultati saranno i più incoraggianti", ha detto Alan Chow dell'esperimento. "Volevamo iniziare il prima possibile, eravamo solo preoccupati delle conclusioni troppo affrettate che si potevano trarre dagli 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 riconoscere le forme e le forme degli oggetti”, afferma Larry Blankenship, amministratore delegato di Optobionics.

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

La retina è la parte più importante dell'occhio. È costituito da milioni di fotorecettori sensibili alla luce che sono responsabili sia della visione dei colori che di quella crepuscolare. Il danno ai fotorecettori - bastoncelli e coni - a seguito di varie malattie porta ad un graduale deterioramento della vista e alla sua completa perdita.

Molto spesso le malattie (inclusa la retinite pigmentosa) portano alla distruzione dei soli fotorecettori stessi, senza intaccare in alcun modo i neuroni della retina. I ricercatori hanno già tentato di far fronte a tale cecità, utilizzando, ad esempio, un occhio bionico. Uno speciale microchip dotato di elettrodi è stato incorporato nella retina dei pazienti. Ai pazienti è stato chiesto di utilizzare gli occhiali con una videocamera, il cui segnale veniva trasmesso prima al chip e poi al cervello.

Gli scienziati dell'Istituto Italiano di Tecnologia hanno proposto un approccio fondamentalmente diverso creando una retina artificiale che può essere impiantata nell'occhio di un paziente. La "protesi retinica" è costituita da diversi strati: un materiale polimerico conduttivo, un substrato a base di seta e uno strato semiconduttore. È lui che cattura i fotoni che passano attraverso la pupilla: questo porta alla stimolazione elettrica dei neuroni della retina e all'ulteriore trasmissione del segnale al cervello.

I ricercatori hanno già testato la loro invenzione su ratti affetti da degenerazione retinica. Un mese dopo l'intervento chirurgico di impianto, gli scienziati hanno valutato il riflesso pupillare negli animali con retina artificiale, negli animali non trattati e nei ratti sani.

La reazione alla scarsa illuminazione (1 lux), paragonabile all'illuminazione durante la luna piena, nei ratti con degenerazione retinica e in quelli che hanno ricevuto l'impianto, è stata praticamente la stessa. Tuttavia, gli animali operati hanno reagito alla luce più intensa quasi allo stesso modo di quelli sani.

Il test è stato ripetuto 6 e 10 mesi dopo l'operazione: la vista in tutti gli animali è peggiorata man mano che i ratti invecchiavano, ma l'effetto dell'installazione della retina artificiale persisteva ancora. Gli autori hanno anche dimostrato che sotto l'azione della luce viene attivata la corteccia visiva primaria: è l'area del cervello responsabile dell'elaborazione delle informazioni visive.

I ricercatori ammettono di non aver ancora compreso appieno come funziona la retina artificiale: questo resta da vedere. Inoltre, non è ancora chiaro se la nuova protesi aiuterà le persone: non sempre i risultati ottenuti sugli animali possono essere ripetuti sui pazienti. Tuttavia, Grazia Pertile, uno dei membri del gruppo di ricerca, spiega che la retina potrebbe iniziare a essere testata sugli esseri umani già nella seconda metà di quest'anno, 2017, con i primi risultati di questi studi attesi entro l'inizio del 2018.

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 sta avanzando così rapidamente che la narrativa si sposta dai libri ai laboratori e alle sale operatorie, rimuovendo una barriera dopo l’altra. Di seguito considereremo cosa riserva il futuro all'oftalmologia, come tratteranno (e sono già in cura), 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 ci sono già 4 progetti di successo, e ora gli occhi artificiali sono 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, una fotocamera, un cavo e un processore video. Un impianto con un trasmettitore viene impiantato nella retina. Una telecamera indossata con gli occhiali cattura le immagini, che vengono elaborate dal processore, 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 un debole afflusso di sangue al centro della retina e porta alla cecità.

Qual è la mancanza di tecnologia? Il dispositivo costa la favolosa cifra di 150.000 dollari e non ripristina completamente la vista, permettendoti solo di distinguere le sagome delle figure. Nel 2017, 250 persone trasportano l'Argus II, un numero certamente trascurabile.

Argus II ha analoghi. Ad esempio, l'impianto retinico di Boston. È inoltre progettato specificamente per i pazienti con degenerazione maculare e retinite pigmentosa (decomposizione dei fotorecettori retinici). Funziona secondo un principio simile, inviando segnali alle cellule nervose e creando un'immagine schematica di un oggetto. Vale la pena menzionare anche IRIS, creato per i pazienti nelle ultime fasi di degradazione della retina. IRIS è composto 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 fa a meno 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. La Seconda Vista sopra menzionata funziona 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, per cui una persona smette di percepire la luce e diventa cieca. Questa malattia è geneticamente codificata. La retina è composta 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. La controparte artificiale è costituita da un polimero elettricamente conduttivo con un supporto 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. La tomografia ha confermato che la corteccia visiva dei ratti era attiva. Non è chiaro se lo sviluppo sarà utile per l’uomo. L'Istituto Italiano di Tecnologia (IIT) promette di riferire sui risultati degli esperimenti nel 2018.

Errore nel codice

I dispositivi indossabili, cuciti 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 variante corretta del DNA, cura le malattie ereditarie. La correzione del codice consente di combattere la degenerazione retinica legata all'età, nonché 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 codifica 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 diagnosi rapide e precise. Ad esempio, un oftalmoscopio Peek Vision sincronizzato con uno smartphone consente di acquisire immagini della retina ovunque e in qualsiasi momento. E nel 2016, Google ha introdotto un algoritmo di analisi delle immagini basato sull’intelligenza artificiale in grado di rilevare segni di retinopatia diabetica nelle immagini della retina. L'algoritmo cerca gli aneurismi più piccoli che indicano patologia. La retinopatia diabetica è una grave malattia vascolare della retina che porta alla cecità.

Il futuro è in rapida ripresa dopo le operazioni. Un farmaco interessante è il Cacicol, introdotto da ricercatori turchi nel 2015. Il loro sviluppo allevia il dolore, l'ipersensibilità e la sensazione di bruciore dopo un intervento chirurgico agli occhi. Il farmaco è già stato testato clinicamente: i pazienti che hanno suturato la cornea (questo metodo è utilizzato nel trattamento del suo assottigliamento - cheratocono), hanno notato una diminuzione degli effetti collaterali.

Quale sarà la visione del futuro?

L'oftalmologia ha già ottenuto risultati 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:

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 la diffusione della conoscenza medica in modo giocoso e semplice. Esistono già applicazioni AR che simulano gli effetti della cataratta e del glaucoma. La conoscenza, come sai, è potere. Sostituirlo se non è possibile curarlo. La cyborgizzazione è una tendenza medica chiave. Gli sviluppi attuali sono buoni, ma ricostruiscono solo parzialmente la visione, consentendo di distinguere i contorni sfocati. Nei prossimi 10 anni, la tecnologia seguirà la strada del miglioramento della qualità e dei dettagli delle immagini. Un compito importante è eliminare i componenti indossabili: fotocamere, occhiali, cavi. L'impianto dovrebbe diventare più morbido e, si potrebbe dire, più amico dei tessuti umani per non ferirli. Probabilmente, chip senza elementi ausiliari esterni, impiantati direttamente nel cervello: questo è il ramo più promettente della cyborgizzazione visiva. Più economico e più accessibile: 150.000 dollari per dispositivo rendono gli occhi bionici ancora 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 farmaci del futuro rigenereranno i tessuti danneggiati in poche ore. Visione fantastica per tutti: un'istantanea con un occhio e una retina connessa a Internet solo ora sembra fantascienza.

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

credito: Natalia Hutanu / TUM
Gli scienziati non chiamano il grafene solo in questo modo "supermateriale". Nonostante sia formato da un solo strato di atomi di carbonio, è un materiale molto resistente, super flessibile e ultraleggero, che conduce anche l'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 difficilmente possono essere definite ideali, poiché gli impianti sono rigidi e piatti, quindi l'immagine che producono appare spesso sfocata e distorta. Sebbene gli impianti siano fragili, possono anche danneggiare i tessuti oculari vicini.

Pertanto, il grafene, con tutte le sue proprietà uniche, potrebbe essere la chiave per creare una retina artificiale migliore. Utilizzando una combinazione di grafene, disolfuro 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 qualsiasi modello esistente. 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.