Сайт о роботах

Ретины-имплантаты подарили ослепшим второе зрение » Киборги и андроиды


Есть несколько вариантов доставки изображения с камеры к месту назначения. Самый соблазнительный в плане эффекта – подключение электрических контактов напрямую к коре головного мозга. Но он же и самый рискованный для здоровья. Другой ход — подсоединение набора электродов к зрительному нерву, на его пути от глаза мозгу. Но он требует виртуозной хирургической операции.
Навигация
Самые интересные статьи
HTC G1 в качестве «мозга» робота
HTC G1 в качестве «мозга» робота
Играть на Android-смартфоне интересно. Программировать свои вещи для него – еще интереснее. А что вы скажете насчет использования смартфона в качестве «мозга», который...

Обратите внимание Будьте в курсе событий.

Ретины-имплантаты подарили ослепшим второе зрение

29.09.2009, 21:00
Источник: membrana



Вернуть утраченное зрение можно несколькими путями. Про генную инженерию и терапию стволовыми клетками пока умолчим. Ещё возможна пересылка картинки с видеокамеры в мозг. Перед вами – самый свежий вариант такого устройства (фото Shawn Kelly).
Электронные сетчатки перестают быть реквизитом из фантастических фильмов. Над подобными протезами работают сразу в нескольких научных группах и компаниях. По мере проведения экспериментов в пробирках, на животных и даже на людях разработчики таких устройств, можно сказать, тоже обретают зрение. Конструкции постоянно шлифуются. И это даёт надежду незрячим.
Одним из крупнейших начинаний в данной области и, пожалуй, старейшим является проект "Бостонский имплантат сетчатки" (Boston Retinal Implant Project — BRIP). Старт ему был дан ещё в 1980-х, когда конструкция и особенности работы системы искусственного зрения виделись учёным лишь в самых общих чертах. Теперь BRIP обнародовал свой самый свежий вариант протеза. В течение трёх лет создатели намерены испытать его на людях.


Доктор Джозеф Риццо (Joseph Rizzo) и профессор Джон Уайетт (John Wyatt) – основатели BRIP. Вообще же в проекте заняты учёные из Массачусетского глазного госпиталя (Massachusetts Eye and Ear Infirmary), медицинской школы Гарварда (Harvard Medical School), лаборатории электроники Массачусетского технологического института (Research Laboratory of Electronics) и лаборатории нанотехнологий Корнелла (Cornell Nanofabrication Laboratory) (фото Boston Retinal Implant Project).

Вкратце всё выглядит просто: миниатюрная камера на очках по беспроводному каналу транслирует сигнал на крошечный чип, установленный на глазном яблоке. Чип переводит эту информацию в набор слабеньких электрических сигналов, посылаемых на решётку из электродов, которые внедрены в толщу сетчатки. Они стимулируют нервные клетки, и человек обретает зрение.

Поиски наилучшего варианта такой схемы ведутся не один год, и не только в BRIP. Выбрали её среди прочих схем, посчитав оптимальным техническим способом восстановления зрения, наиболее пригодным к скорому внедрению.


В раннем проекте BRIP приёмная катушка располагалась сбоку глазного яблока, чип, обрабатывающий сигнал, – сверху, а решётка из электродов – в задней части сетчатки (на верхнем рисунке она не видна, но показана на схеме ниже). На верхней врезке – снимок такого чипа. На нижней – макет системы с камерой на очках. Позднее устройство для приёма сигналов от камеры поменяло дислокацию. Об этом мы ещё скажем отдельно (иллюстрации Boston Retinal Implant Project).

Есть несколько вариантов доставки изображения с камеры к месту назначения. Самый соблазнительный в плане эффекта – подключение электрических контактов напрямую к коре головного мозга. Но он же и самый рискованный для здоровья. Другой ход — подсоединение набора электродов к зрительному нерву, на его пути от глаза мозгу. Но он требует виртуозной хирургической операции.

В то же время, по словам учёных из проекта BRIP, наиболее распространённые заболевания, приводящие к потере зрения, — это возрастная макулярная дегенерация и пигментоз. При них отказывают светочувствительные клетки в сетчатке. Но её биполярные и ганглионарные "ячейки", передающие сигнал от фоторецепторов в сеть нервных волокон внутри самого глаза, а уже через них — в глазной нерв, остаются функциональными. Почему бы не попробовать подавать сигналы на эти промежуточные клетки?

Одним из важных вопросов является место имплантации электродов. В глазном яблоке палочки и колбочки расположены дальше от стекловидного тела и от хрусталика, нежели нервные клетки. Соответственно, если мы хотим добраться до них с внешней стороны глаза, причём со стороны его задней стенки, нам нужно преодолеть больше слоёв, а это может привести к сильному повреждению ретины.

Так пытались действовать в прежних проектах. Авторы же нового имплантата говорят: для нормальной его работы достаточно расположить электроды (из оксида иридия, к слову) с внешней стороны глаза. Точнее — в слое, лежащем непосредственно под сетчаткой. Так снижается риск повреждения и уменьшается хирургическое вмешательство при установке прибора.


Последовательность ключевых оболочек глаза и два способа размещения стимулирующего чипа с электродами – в глубине глазного яблока, над сетчаткой (1) или ближе к его внешней поверхности, фактически под сетчаткой (2). Обратите внимание на то, что свет идёт сверху (иллюстрация Boston Retinal Implant Project).

Второе усовершенствование команды из Бостона – это чип, обрабатывающий сигнал. Он должен крепиться на поверхности глазного яблока, но при этом внутри глазной впадины, так что снаружи виден не будет. В новом проекте BRIP чип этот укрыт в герметичном титановом корпусе.

Это должно снизить негативное воздействие имплантата на организм. Не менее важно, что сократится и разрушительное воздействие среды тела на сам имплантат. Учёные рассчитывают, что прибор "в новом дизайне" сможет работать внутри человека безотказно как минимум десяток лет.

Способ передачи на протез полезного сигнала и электропитания тоже оказался скорректирован. В новом приборе за это отвечает металлическое кольцо, внедрённое в склеру вокруг радужки (смотрите снимок под заголовком).

Фактически же оно состоит из двух концентрических колец-антенн. Одно из них отвечает за беспроводный приём импульсов питания схемы, а второе — за приём картинки. Соответственно, специальные очки с передающими антеннами в оправе должны поставлять имплантату и силовой, и информационный потоки.

Экспериментальный прибор BRIP обладает всего 15 каналами — он может транслировать на сетчатку 15 пикселей. Это давно уже не рекорд. Но пока для участников проекта важно проверить работоспособность схемы. К тому же, по их словам, после тестов на добровольцах можно будет улучшить алгоритм переработки сигнала.

Когда станет ясно, что именно и в каком виде воспринимают слепые при подаче импульсов тока на решётку, оптимизация картинки поможет передать "больше смысла" в тех же самых точках. Далее и число контактов можно будет нарастить на порядок, а то и на два.


О своём проекте BRIP детально отчитался в статье в IEEE Transactions on Biomedical Engineering. На снимке – модель нового имплантата. Хорошо виден микрочип в изолирующем корпусе (фото Shawn Kelly).

Пока новый имплантат протестировали в течение 10 месяцев на свиньях. Цель испытания заключалась не в проверке возможности восстановления зрения, а в испытании схемы на биологическую совместимость: не вызывает ли она воспаления и так далее. Проверка новинки на людях — следующая в плане.

А в том, что в какой-то форме зрение можно восстановить при помощи подобных электродов, американцы уверены. Около десятилетия назад та же команда BRIP проводила эксперименты на слепых добровольцах без всяких чипов.

К светочувствительной оболочке глаза временно подсоединяли набор электродов и подавали на них слабое напряжение. Испытуемые рапортовали о появлении цепочки визуальных пятен, число которых совпадало с количеством активированных в данный момент времени контактов.


О своём проекте BRIP детально отчитался в статье в IEEE Transactions on Biomedical Engineering. На снимке – модель нового имплантата. Хорошо виден микрочип в изолирующем корпусе (фото Shawn Kelly).

Другие учёные успели продвинуться по данному пути ещё дальше BRIP. Американская компания Second Sight, тесно сотрудничающая с рядом научных учреждений Калифорнии, применяет в своих разработках похожий подход. Они строят такую цепочку: камера на очках — видеопроцессор, носимый на поясе, — трансмиттер в очках — беспроводная передача сигнала в чип-приёмник внутри человека, а далее — по тонким проводкам в решётку электродов, установленных на сетчатке.

Сейчас в самом разгаре клинические испытания устройства Argus II, в состав которого входит имплантат с 60 стимулирующими электродами. Это тоже далеко от вожделенных нескольких тысяч пикселей, при которых пациенты могли бы уже различать вблизи лица людей и читать. Но лучше, чем ничего: даже возможность выявлять границы света и тени (дверные проёмы, лестницы) или яркие предметы — дорогого стоит.

Искусственную сетчатку от Second Sight уже внедрили 18 добровольцам, один из которых — 68-летний Дин Ллойд (Dean Lloyd) — живёт с ней уже примерно два года. Опыты показывают, что он может точно указать пальцем на яркую точку, появляющуюся в произвольном месте тёмного экрана, ходить по белой линии, нарисованной на тёмном полу, и различать общие контуры предметов.

При этом у него даже возникает различное цветоощущение (всплывают базовые цвета). Не вполне ясно, насколько они согласуются с окраской предъявляемых предметов, но для человека, который 20 лет жил в абсолютной темноте, эти красные, синие и зелёные всполохи — чудо.


Слепой пациент Ллойд тестирует работу второго "Аргуса". На заднем плане – один из исследователей, нейробиолог Мэттью Макмахон (Matthew McMahon). Крошечная камера, передающая картинку для Ллойда, почти незаметно вмонтирована в оправу очков (на переносице). В руках подопытного виден блок видеопроцессора, в котором он сам может настраивать параметры транслируемого сигнала (фото Paul Chinn/The Chronicle).

Тесты "Аргуса", так же как и грядущее испытание на добровольцах малоинвазивного имплантата от BRIP, должны показать, что связка "внешняя видеокамера — искусственная сетчатка" может претендовать на массовый метод избавления людей от страшного недуга. Но в идеале учёные и медики хотят вообще избавиться от внешних составляющих системы. И проекты такого рода тоже существуют.

К примеру, мы рассказывали о тестах имплантата от американской компании Optobionics на кошках. Он же проверялся и на людях. С ним во многом схож прототип электронной сетчатки из университета Пенсильвании (University of Pennsylvania).

Оба имплантата объединяет один принцип: искусственные фоторецепторы расположены в самом имплантате и воспринимают свет, прошедший естественным путём, — через хрусталик и стекловидное тело. Позади же фотодетекторов расположены стимулирующие электроды.

Optobionics ещё в 2004-м сообщала в статье в Archives of Ophthalmology о первых успехах своего микрочипа. Компания ухитрилась разместить на двухмиллиметровой пластинке из кремния 5 тысяч фотодетекторов и электродов и имплантировала этот прибор шести пациентам с пигментозом сетчатки. Добровольцы носили чип 18 месяцев.


Основатели Optobionics Винсент и Алан Чоу (Vincent, Alan Chow). Микрочип (чёрный кружок) на поверхности монетки и он же – внедрённый в сетчатку человека. Из-за основного материала, кремния, это опытное устройство носит название Artificial Silicon Retina или ASR. Внизу показано место, куда внедряется ASR. Толщина чипа, кстати, составляет 25 микрометров (фотографии Optobionics, иллюстрация Mike Zang).

Подопытные продемонстрировали некоторое улучшение зрения. А ещё давние тесты доказали, что микрочип не вызывает отторжения и воспаления. Но все детали взаимодействия столь обширного набора контактов и случайно попавших под них нервных клеток ещё только предстояло разобрать.

Увы, позднее компания надолго прекратила свою работу по причинам, с наукой никак не связанным. И лишь сравнительно недавно Optobionics возобновила деятельность, обещая продолжить эксперименты со своим микроскопическим имплантатом.

Как видим, вся эта "гонка биоинженерных вооружений" проходит довольно неспешно. На улучшение найденных решений уходят годы, на проверку их эффективности "в реальном бою" – не меньше. Но миллионам незрячих всё равно, кто именно придёт к финишу первым и получит "призовые" в виде массовых продаж данной техники. Для инвалидов самый ценный приз – возвращённое зрение. Пусть даже с разрешением в несколько десятков пикселей.

Вы способны восхищаться полной Луной на ночном небе, если она вам представится как набор всего из нескольких световых точек, без малейших намёков на детали? Одна из пациенток, проверяющих сейчас сетчатку Argus II, знает истинную цену такой красоты. Луну она не видела 15 лет.


Создана разлагаемая в теле человека электроника

Создана разлагаемая в теле человека электроника
  • Исследовательская группа Бао построила первую в мире транзисторную микросхему, полностью составленную из биоразлагаемых и нейтральных для человека ...
  • НАЗАД
    Создан глазной имплантат более безопасной конструкции

    Создан глазной имплантат более безопасной конструкции
  • Когда микрочип получает визуальную информацию, он приводит в действие электроды, которые возбуждают нервные клетки в тех областях сетчатки, которые ...
  • ВПЕРЁД