Число незрячих людей в мире достигло 32 млн. От 2 до 4 млн обязаны своим состоянием потере светочувствительных клеток в сетчатке. Наиболее многообещающим методом лечения такого типа слепоты является имплантат сетчатки с электродами, стимулирующими ее клетки.
Ученые совершили научный прорыв, создав новый тип «киберсетчатки» с очень широким полем зрения, распознающей десятки тысяч пикселей. Об открытии пишет журнал Communications Materials.
Как это работает?
Доступные в настоящее время имплантаты сетчатки представляют собой набор сверхтонких титановых электродов, размещаемых непосредственно на сетчатке. Имплантаты подключаются к фотокамере на очках, а также к портативному микрокомпьютеру. Камера фиксирует изображения, попадающие в поле зрения, и отправляет данные микрокомпьютеру, программа преобразует их в электрические сигналы и передает на электроды имплантата. Те в свою очередь стимулируют ганглиозные клетки сетчатки в соответствии с теми световыми «узорами», которые окажутся в поле зрения. Затем слепой человек должен научиться интерпретировать поступающие визуальные ощущения, чтобы «видеть» изображения (в виде упрощенной черно-белой схемы). Чем более многочисленны и детализированы узоры, тем легче их распознать.
Однако современные имплантаты дают очень плохие результаты, и их владельцы по-прежнему остаются по сути слепыми, утверждает Диего Геззи, заведующий кафедрой нейроинженерии Medtronic Федеральной политехнической школы Лозанны (Швейцария). Доступные на сегодняшний день имплантаты дают возможность обзора широтой не более 20 градусов, в то время как поле зрения видящего человека должно составлять не менее 40 градусов.
Швейцарские исследователи придумали новаторский беспроводной имплантат, сделанный из очень гибкого и податливого материала и содержащий фотоэлектрические пиксели. Ожидается, что он предоставит пользователям поле зрения обзором в 46 градусов и гораздо более высокое разрешение изображения.
Определение слепоты в европейских странах учитывает не только остроту зрения (20/200 и хуже), но и угол зрения (менее 20 градусов), поскольку он играет важную роль в формировании слепоты, препятствуя натуралистическому восприятию сложных сцен, движений и предметов. Задачи самоориентации в пространстве и свободы перемещения в мобильной среде требуют быстрого распознавания движений и изменений яркости освещения по всему периметру поля зрения.Восстановление углазрения 46 градусов с соответствующимразрешением — очень большой шаг вперед в области искусственного зрения.
Больше площадь — больше пикселей
Новая разработка состоит из массива пикселей, очков и камеры, но в ней нет больше никаких проводов. Имплантат также имеет большую площадь поверхности, предназначенную для расширения поля зрения и улучшения качества изображения. Увеличенный размер также означает, что фотоэлектрические пиксели будут стимулировать большее количество клеток сетчатки.
Лаура Ферлауто, биотехнолог лаборатории:
Так мы расширяем поле зрения. Существующие имплантаты стимулируют только клетки в центре сетчатки. А мы увеличиваем количество фотоэлектрических пикселей, которые, кроме того, позволят сделать изображение более четким.
Каждый пиксель будто точка на черно-белом экране. Когда аппарат включен — светится, когда выключается — гаснет. Расположение точек будет меняться в реальном времени вместе с объектами в поле зрения. Одно и то же изображение будет выглядеть по-разному в зависимости от количества доступных пикселей. Темные и светлые точки образуют силуэты объектов. После обучения в этих схематических изображениях можно будет распознать конкретные предметы. Для людей с искусственным зрением мир будет похож на ночное небо — соединив точки-звезды, можно разглядеть целые «созвездия» (для зрячих это всего лишь привычные очертания обыденных вещей).
Фоторецепторные клетки — специализированный тип нейронов в сетчатке глаза, способный к фототрансдукции зрительного сигнала. Они преобразуют видимое электромагнитное излучение (свет) в импульсы,которые могут стимулировать биологические процессы. Это экстерорецепторы — фоточувствительные клетки фокальной поверхности сетчатки (палочковые, чувствительные к очень слабому свету, и колбочковые, составляющие основу цветного зрения), а также клетки ганглиозного слоя сетчатки глаза (поддерживают, например, циркадные ритмы и зрачковый рефлекс). Потеря фоторецепторных клеток в сетчатке приводит к слепоте.
Хирургические ограничения
До сих пор размер имплантатов сетчатки ограничивался в основном длиной хирургического разреза в глазу. Разумеется, он должен быть как можно меньше во избежание повреждения и отслоения сетчатки. Чтобы решить эту проблему, ученые решили создать свой имплантат из гибкого материала — прозрачного нетоксичного полимера, который используется в медицине. Это позволяет свободно складывать и сгибать его во время операции в соответствии с кривизной глаза, чтобы обеспечить наибольший контакт с ганглиями сетчатки.
Как объясняют исследователи, пиксели на солнечной энергии сами генерируют электрический ток и не требуют внешнего источника питания. Пиксели будут реагировать только на световые сигналы, которые соответствуют определенным требованиям с точки зрения интенсивности, продолжительности и длины волны. Одного лишь естественного света недостаточно. Кроме того, пиксели занимают куда меньше места, чем электроды, а значит в имплантат можно поместить большее их количество (плотность 79,1 пикселя/мм2). Ученым удалось создать имплантат шириной в сантиметр, который содержит 10 498 функционально независимых электрических пикселей.
Команда инженеров уже приступила к клиническим испытаниям. В первом раунде прототип оказался нетоксичным и успешно увеличивал поле зрения и остроту. Перед этим разработку проверили на мышах, а также с помощью искусственных аналогов сетчатки и диагностических приборов. Оказалось, что киберсетчатка может эффективно воспринимать вспышки света от очков и передавать сигналы в сетчатку с пиксельной точностью.
Следующим шагом станут испытания in vivo для изучения других факторов, таких как поведение пикселей и срок службы имплантата. Но в первую очередь важно увидеть, насколько хорошо люди адаптируются к этому новому способу искусственного зрения, который так отличается от зрения естественного.