Бионический глаз вживается в образ электродами

Дэниел Паланкер (Daniel Palanker) из Стэнфордского института (Stanford University) и его научная группа «Биомедицинской физики и офтальмологических технологий» (Group of BioMedical Physics and Ophthalmic Technologies) разработали уникальный протез сетчатки высочайшего разрешения либо «Бионический глаз» (Bionic Eye), владеющий целым рядом преимуществ перед прошлыми проектами исцеления слепоты при помощи электрических имплантатов.

Возрастная деградация сетчатки, при которой погибает существенное количество светочувствительных клеток, и такое болезнь, как пигментоз – несут ответственность за слепоту (либо близкое к «нулю» зрение) миллионов людей во всём мире.

Огромное количество научных групп и лабораторий экспериментируют с имплантатами сетчатки. Так как при обозначенных недостатках сами нервные клеточки (в главном) остаются в порядке, можно направлять в их слабенькие электронные импульсы с некоторой схемы – решётки из электродов, размещённой прямо в сетчатке.

Соответственно, импульсы эти должны отражать картину, которую снимает маленькая камера, закреплённая на голове.

Блестящий план. Если б не ряд «но». Во-1-х, размещение огромного числа электродов на малеханькой площади – это препятствие био плана. Схема просто перегревает глаз.

Не считая того, даже имплантировав решётку в толщу сетчатки, нельзя достигнуть очень близкого соприкосновения электродов и её глубинных клеток, лежащих конкретно под погибшими фоторецепторами.

И выходит, что как инженеры сближают электроды меж собой (другими словами наращивают разрешение микросхемы), любой из их начинает действовать сходу на ряд ближайших клеток – а должен, в эталоне, – лишь на одну, по другому смысл в высочайшем разрешении изображения телекамеры стопроцентно теряется.

Разрез под микроскопом: клеточки сетчатки крысы мигрируют через крохотное отверстие имплантата (фото с веб-сайта stanford.edu).

Чтоб это препятствие обойти, необходимо «привязать» по одному электроду на одну, от силы — две клеточки. Но для плотности пикселей, геометрически соответственной остроте зрения 20/400 (это практически невидящий человек, порог «юридической слепоты», как пишут создатели работы, а в наших единицах — это зрение 0,05) клеточки должны размещаться не далее 30 микрон от электродов.

А для остроты 20/80 (0,25) это расстояние не должно превосходить 7 микронов. При таковой остроте зрения, кстати, уже можно воспользоваться компом, передвигаться по городку, распознавать лица и вообщем – вести самостоятельную жизнь.

Жать же на имплантат при внедрении (чтоб плотнее придавить электроды к слою клеток) нельзя – велик риск травмы сетчатки.

А ведь расстояние меж каждым из электродов и его «подшефной» клеточкой – далековато не всё. Для таковой остроты зрения (20/80) необходимо иметь плотность пикселей в 2,5 тыщи на квадратный мм.

А здесь начинает проявляться не только лишь паразитная перекрёстная связь меж примыкающими электродами, да и перегрев (клеточки нельзя нагревать больше, чем на один градус выше естественной температуры в глазу), также – нарушение электрохимии в окружающей микросхему живой среде.

Поэтому никому до сего времени не удавалось сделать устройство с числом электродов (читай – транслируемых пикселей) больше нескольких штук, 10-ов, ну, может быть — сотки. А необходимо их иметь – многие тыщи.

Здесь создадим ещё один мини-экскурс в биологию. Глаз имеет приблизительно 100 миллионов фоторецепторов (это как камера на 100 мегапикселей). Но в составе зрительного нерва в мозг идёт всего 1 миллион раздельных каналов. Информация теряется?

Нет, оказывается, в самой сетчатке уже происходит подготовительная обработка, некоторое суммирование инфы. Сама сетчатка – это ведь не только лишь слой фоторецепторов, но слой нервной сети.

Сейчас, если ворачиваться к имплантатам с электродами, нужно сказать – есть несколько подходов к размещению такового имплантата в глазу. Он может занимать разные слои по глубине.

Возможно обойтись наименьшим числом электродов (только тогда нужно имитировать суммированные сигналы нервной сети сетчатки), а если возбуждать нервные клеточки, лежащие поближе к фоторецепторам – можно отлично воспроизводить систему зрения, только плотность пикселей в имплантате должна быть высочайшей.

Чтоб разрешить это противоречие, создатели нового проекта провели ряд опытов на крысах. И нашли новый био эффект. Учёные внедряли в сетчатки животных полимерные пластинки с малеханькими отверстиями – поперечником 15-40 микрон.

И вот через считанные часы клеточки сетчатки сами начали передвигаться в отверстия, в течение всего нескольких дней заполняя полости под ними. Аналогично клеточки вели себя и по отношению к пластинке, которую покрывали тонкие ряды длинноватых выступов-башенок. Клеточки стремительно заполняли промежутки меж этими выступами.

В новеньком проекте клеточки сетчатки заманиваются в полости имплантата. На его поверхности и в отверстиях создаётся система стимулирующих электродов (иллюстрация с веб-сайта stanford.edu).

«Если гора не идёт к Магомету, то Магомет идёт к горе, — произнес Паланкер. — Мы не можем поместить электроды близко к клеточкам. Но мы практически приглашаем клеточки прибыть в область электродов, и они делают это с наслаждением и очень стремительно».

Таким макаром, в проекте нового имплантата удалось достигнуть той плотности 2,5 тыщи электродов на квадратный мм с соблюдением дистанции меж каждым электродом и его личной клеточкой – до 7 микрон. Электроды расположили в этих полостях и, соответственно – на выступах.

Будет ли рабочий проект иметь отверстия в пластинке либо напротив – «башенки» – пока непонятно. В случае отверстий можно достигнуть чуть ли не поштучного соединения электродов и клеток, но зато в случае выступов – у клеток лучше снабжение питательными субстанциями. Выбор будет изготовлен позднее.

Но это – далековато не все отличия проекта от конкурирующих работ. Если помните, другие создатели предлагали передавать на электроды сигнал прямо с камеры на лбу. А в этом есть сильный подкол.

Аналогично работает схема с выступами (иллюстрация с веб-сайта stanford.edu).

Дело в мелких непроизвольных движениях глаз, сканирующих место даже тогда, когда нам кажется, что мы бездвижно смотрим в одну точку.

Если впрямую связывать камеру на лбу с имплантатом в сетчатке, это свойство зрения теряется, что очень плохо сказывается на восприятии. А ещё – при таковой схеме – зрение стопроцентно находится в зависимости от числа электродов в имплантате. А что можно узреть, скажем, в 100 пикселях?

Паланкер предложил иную схему. Камера на лбу здесь также имеется, но она направляет сигнал в носимый микрокомпьютер (размером с бумажник), который переводит видимое изображение в набор маленьких импульсов инфракрасного светодиодно-жидкокристаллического монитора, с числом точек в несколько тыщ.

Этот поток импульсов отражается от наклонного стекла, размещенного перед очами, проходит через хрусталик и попадает на фоточувствительные диоды имплантата в сетчатке глаза. Те усиливают сигнал, используя энергию от крохотной солнечной батареи, имплантированной в радужку.

Эти инфракрасные лучи человек не лицезреет. А вот итог воздействия электронных импульсов на клеточки сетчатки – принимает как изображение.

При всем этом сам имплантат имеет размер в половину рисового зерна (3 мм) и покрывает 10 градусов поля зрения – его центр.

Бионический глаз Паланкера (иллюстрация с веб-сайта stanford.edu).

И здесь главный фокус: благодаря стеклу у человека сохраняется естественное восприятие сцены перед ним (теми живыми фоторецепторами, что ещё работают в глазу), в особенности – периферийным зрением, вместе с наложенным «дополнением» от камеры.

И маленькие резвые движения глаз сохраняют свою значимость – ведь человек сам глядит как на пейзаж (впрямую), так и на то электрическое изображение (пусть инфракрасное).

Положение этого изображения на сетчатке (и внедрённой решётке электродов, соответственно) изменяется совместно с движением глазного яблока. Таким макаром, электрический прибор очень употребляет оставшиеся естественные возможности глаза по обработке зрительной инфы.

На данный момент создатели проекта имплантируют устройство крысам, а скоро должны перейти к опытам на свиньях. Про опыты на людях исследователи пока ничего не молвят.