28 Апреля 2015
Исследователи медицинской школы Стэндфордского университета, работающие под руководством профессора Даниэля Паланкера (Daniel Palanker), разработали беспроводной сетчаточный имплантат, который в будущем позволит восстанавливать зрение в пять лучше, чем существующие устройства. Результаты исследований на крысах свидетельствуют о способности нового устройства обеспечивать функциональное зрение пациентам с дегенеративными заболеваниями сетчатки, такими как пигментная дистрофия сетчатки и макулярная дегенерация.
Дегенеративные заболевания сетчатки приводят к разрушению фоторецепторов – так называемых палочек и колбочек, – тогда как остальные части глаза, как правило, сохраняются в хорошем состоянии. Новый имплантат использует электрическую возбудимость одной из популяций сетчаточных нейронов, известных как биполярные клетки. Эти клетки обрабатывают поступающие с фоторецепторов сигналы до того, как они достигают ганглионарных клеток, отправляющих зрительную информацию в головной мозг. Стимулируя биполярные клетки, имплантат пользуется важными естественными свойствами нейронной системы сетчатки, что обеспечивает получение более детализованных изображений, по сравнению с устройствами, не воздействующими на эти клетки.
Изготавливаемый из оксида кремния имплантат состоит из шестиугольных фотоэлектрических пикселей, конвертирующих световое излучение, испускаемое надеваемыми на глаза пациента специальными очками, в электрический ток. Эти электрические импульсы стимулируют биполярные клетки сетчатки, запуская достигающий головного мозга нейронный каскад.
назад
Читать также:
06 Апреля 2015
Как выглядят магнитные волны?
Чип твердотельного компаса, передающий сигналы в области коры головного мозга слепой крысы, отвечающие за обработку визуальной информации, позволил животному «видеть» геомагнитные поля.
читать
20 Июня 2013
Беспроводной протез сетчатки
Биотехнологи из Стэнфордского университета успешно пересадили в глаза крыс протезы сетчатки, которые обходятся без источника питания и требуют минимального хирургического вмешательства для имплантации.
читать
22 Февраля 2013
Электронные сетчатки совершенствуются
Беспроводная бионическая сетчатка Alpha IMS работает без внешней камеры, обеспечивая свободное движение глаз, и подаёт сигналы от 1500 пикселей на близлежащие нейронные слои сетчатки и на зрительный нерв, полностью имитируя работу клеток-фоторецепторов.
читать
18 Февраля 2013
Первая электронная сетчатка выходит на рынок США
FDA одобрило первую искусственную сетчатку – имплантируемое устройство с некоторыми функциями сетчатки, которое поможет людям, потерявшим зрение вследствие генетического заболевания – пигментного ретинита.
читать
14 Мая 2012
Оптоэлектронная сетчатка без батареек
Для создания искусственной сетчатки ученые решили использовать фотоэлементы, активируемые инфракрасным лучом, что позволило совместить передачу визуальной информации с передачей энергии и упростить устройство имплантата.
Искусственное зрение все больше становится реальностью как в науке, так и медицине – сочинители фантастических романов о таком и не помышляли. Летом прошлого года первые изготовленные из кремния искусственные сетчатки были имплантированы трем слепым пациентам. Все трое страдали почти полной потерей зрения, вызванной retinitis pigmentosa (RP), – болезнью глаз, повреждающей ночное и периферийное зрение. Они выписались из больницы на следующий после операции день.
Изобрели искусственную кремниевую сетчатку (ASR, от artificial silicon retina) основатели компании Optobionics братья Винсент и Алан Чоу. ASR представляет собой микросхему диаметром 2 мм и толщиной меньше человеческого волоса. На кремниевой пластине размещается порядка 3500 микроскопических солнечных элементов, которые преобразуют свет в электрические импульсы.
Микросхема, созданная для замены поврежденных фоторецепторов – светочувствительных элементов глаза, преобразующих в здоровом глазу свет в электрический сигналы, – работает от внешнего света, у нее нет батареек или проводов. Искусственная кремниевая сетчатка хирургическим способом имплантируется под сетчаткой пациента, в так называемом подсетчаточном пространстве, и генерирует визуальные сигналы, сходные с сигналами, производимыми биологическим фоторецепторным слоем.
В действительности ASR работает с фоторецепторами, еще не утратившими возможность функционировать. «Если микросхема сможет с ними взаимодействовать в течение некоторого продолжительного времени, значит, мы движемся к цели верной дорогой», – уверен Алан Чоу.
Люди, страдающие retinitis pigmentosa, постепенно утрачивают фоторецепторы. Вообще же это собирательное название многих заболеваний глаз, в результате которых происходит разрушение фоторецепторного слоя.
Возрастное возникновение пятен на роговице (AMD, от age-related macular degeneration), по мнению братьев Чоу, также поддается коррекции с помощью искусственной кремниевой сетчатки. Пятна на роговице являются следствием старения организма, но точная причина пока не известна. От подобных болезней страдают более 30 млн. населения планеты, они часто приводят к неизлечимой слепоте.
На сегодняшний день ASR не в состоянии справиться с глаукомой, связанной с повреждением нерва, и не помогает при диабете, приводящем к появлению рубцов на сетчатке. Бессильна искусственная сетчатка при сотрясениях и других мозговых травмах.
«Сейчас мы пытаемся понять, куда двигаться дальше, – рассказывают о своих планах братья Чоу. – Как только удастся определиться, можно будет поэкспериментировать с изменением параметров».
Естественное и искусственное зрение
Процесс «видения» можно сравнить с работой фотокамеры. В фотокамере световые лучи проходят через набор линз, фокусирующих изображение на пленке. В здоровом глазу лучи света проходят через роговицу и хрусталик, который фокусирует изображение на сетчатке, представляющей собой слой светочувствительных элементов, выстилающих заднюю поверхность глаза.
Пятно (macula) – это область сетчатки, получающая и обрабатывающая детальные изображения и посылающая их в мозг по зрительному нерву. Многослойное пятно обеспечивает изображениям, которые мы видим, высочайшую степень разрешения. Повреждено пятно – ухудшается зрение. Что делать в этом случае? Вводить ASR.
Тысячи микроскопических элементов ASR подсоединены к электроду, преобразующему входящие световые изображения в импульсы. Эти элементы стимулируют работу оставшихся работоспособных элементов сетчатки и вырабатывают визуальные сигналы, сходные с сигналами, генерируемыми здоровым глазом. «Искусственные» сигналы могут быть затем обработаны и посланы по зрительному нерву в мозг.
В экспериментах с животными в 80-х годах братья Чоу стимулировали ASR инфракрасным светом и регистрировали отклик сетчатки. Но животные, к сожалению, не могут говорить, поэтому неизвестно, что же, в сущности, происходило.
Более существенные результаты
Около трех лет назад братья собрали достаточное количество данных для того, чтобы обратиться в Управление питания и лекарственных препаратов за разрешением на проведение клинических экспериментов с участием человека. В качестве кандидатов были выбраны три пациента в возрасте от 45 до 75 лет, долгое время страдавших сетчаточной слепотой.
Читайте также:
«Мы отобрали людей с наиболее серьезными нарушениями, так что если им удастся хоть что-то увидеть, результаты будут самыми обнадеживающими, – рассказал об эксперименте Алан Чоу. – Нам хотелось начать как можно скорее, мы тревожились только по поводу слишком поспешных выводов, которые могут быть сделаны в результате экспериментов».
Создатели искусственной сетчатки подчеркивают, что в настоящий момент их устройство не в состоянии помочь пациентам видеть так, как делают это здоровые люди.
«Можно будет говорить о блестящем результате, если плотность элементов окажется достаточной, чтобы пациенты могли видеть движущиеся объекты. В идеале им нужно различать формы и очертания предметов», – говорит Ларри Бланкеншип, управляющий директор компании Optobionics.
Отторжения имплантанта изобретатели не боятся. «Как только искусственная сетчатка имплантирована, вокруг нее образуется вакуум, это вполне предсказуемо», – считают Чоу. Уже можно утверждать, что искусственная кремниевая сетчатка – монументальное научное достижение, которое поможет навсегда избавиться от угрозы некоторых форм слепоты.
Биологические сенсорные системы компактны и эффективно расходуют энергию. При попытке создания полупроводниковый аналог сетчатки, сталкиваются с большими трудностями: при толщине 0,5 мм она весит 0,5 г и потребляет 0,1 Вт.
Рис. 8.
Биологическая сетчатка.
Клетки сетчатки связаны сложной сетью возбуждающих (односторонние стрелки), подавляющих (линии с кружками на конце) и двунаправленных (двусторонние стрелки) сигнальных связей. Такая схема вырабатывает селективные ответы четырех типов ганглионарных клеток (внизу), которые составляют 90% волокон зрительного нерва, передающих зрительную информацию в мозг. Ганглионарные клетки включения “Вкл.” (зеленые) и выключения “Выкл.” (красные) возбуждаются, когда локальная интенсивность света выше или ниже, чем на окружающем участке. Ганглионарные клетки возрастания “Инк.” (синие) и убывания “Дек.” (желтые) генерируют импульсы, когда интенсивность света увеличивается или уменьшается.
Рис. 8.
В электронных моделях сетчатки аксоны и дендриты каждой клетки (сигнальные связи) заменяются металлическими проводниками, а синапсы – транзисторами. Перестановки такой конфигурации создают возбуждающие и запрещающие взаимодействия, которые имитируют связи между нейронами. Транзисторы и соединяющие их проводники располагаются на кремниевых чипах, различные участки которых играют роль различных слоев клеток. Большие зеленые площадки – фототранзисторы, преобразующие свет в электрические сигналы.
На ранней стадии развития глаза ганглионарные клетки сетчатки направляют свои аксоны в тектум, сенсорный центр среднего мозга. Аксоны сетчатки направляются с помощью следов химических соединений, выделяемых соседними клетками тектума, которые активируются одновременно; в результате нейроны, возбуждающиеся одновременно, связываются. В итоге в среднем мозге формируется карта пространственного расположения сенсоров сетчатки.
Чтобы смоделировать этот процесс, используют программируемые проводники для создания самоорганизующихся связей между клетками в чипе сетчатки Visio1 (вверху) и чипе искусственного тектума Neurotrope1 (внизу). Электрические выходные импульсы направляются от искусственных ганглионарных клеток к клеткам тектума через микросхему памяти (ОЗУ) (в середине). Чип сетчатки выдает адрес возбужденного нейрона, а чип тектума воспроизводит импульс возбуждения в соответствующем месте. В нашем примере искусственный тектум дает команду ОЗУ поменять местами адреса 1 и 2. В результате окончание аксона ганглионарной клетки 2 перемещается к клетке тектума 1, вытесняя аксон ганглионарной клетки 3. Аксоны реагируют на градиент электрического заряда, освобожденного возбужденной клеткой и помогающего перенаправить соединения.
После многократного возбуждения блоков соседствующих нейронов искусственной сетчатки (выделенные треугольники вверху слева) конечные точки аксонов клеток тектума, которые вначале были разбросаны (выделенные треугольники внизу слева), сближаются и образуют более однородные полосы (внизу справа).
Рис. 9.
Искусственные сетчатки “Аргус” (Argus) были успешно вживлены шестерым слепым пациентам, позволив им вновь видеть свет и обнаруживать движение крупных ярких объектов.
Рис. 10.
Эта система объединяет крошечный электронный глазной имплантат с видеокамерой, установленной на тёмных очках. Решётка из 16 электродов в имплантате соединяется с сетчаткой, воздействуя на фоторецепторы. Сигнал, подаваемый на них, проходит длинный путь от камеры: через обрабатывающий процессор, затем — по радиоканалу к приёмнику, расположенному за ухом, и далее — по проводам, протянутым под кожей, к глазному имплантату. Система может работать только с пациентами, у которых ослаблены и повреждены фоторецепторы сетчатки, но здоров глазной нерв.
Предпринимаются попытки воспроизводить нейронные структуры и их функции. Это называют морфингом (отображением) нервных связей на кремниевые электронные цепи. Таким образом создаются нейроморфные микрочипы путем морфинга сетчатки – нервной ткани толщиной 0,5 мм, покрывающей заднюю стенку глаза. Сетчатка состоит из пяти специализированных слоев нервных клеток и выполняет предварительную обработку визуальных изображений (образов), извлекая полезную информацию, не обращаясь к мозгу и не расходуя его ресурсы.
Кремниевая сетчатка воспринимает движения головы человека. Четыре типа кремниевых ганглионарных клеток на чипе Visio1 имитируют реальные клетки сетчатки и выполняют предварительную обработку визуальной информации. Одни клетки реагируют на темные области (красные), другие – на светлые (зеленые). Третий и четвертый наборы клеток следят за передними (желтые) и задними (синие) границами объектов. Черно-белые изображения, получаемые при декодировании, демонстрируют то, что слепой человек мог бы видеть с помощью нейроморфного имплантата сетчатки.
22/08/2018, 14:47
1.6k
Просмотров 293
Нравится
credit: Natalia Hutanu / TUM
Ученые не просто так называют графен
«суперматериалом»
. Несмотря на то, что он состоит из всего лишь одного слоя атомов углерода, это очень сильный, супер гибкий и сверхлегкий материал, который также проводит электричество и биодеградирует. Недавно международная команда исследователей нашла способ использовать графен для создания
искусственной сетчатки
глаза. Сетчатка представляет собой слой светочувствительных клеток во внутренней оболочке глаза, ответственные за преобразование изображения (электромагнитное излучение видимой части спектра) в нервные импульсы, которые мозг может интерпретировать. И если этот тонкий слой клеток не функционирует, то человек просто ничего не видит.
В настоящее время миллионы людей по всему миру страдают от заболеваний сетчатки, которые лишают их зрения. Чтобы помочь им увидеть снова, ученые несколько лет назад разработали искусственную сетчатку. Однако все существующие решения сложно назвать идеальными, поскольку имплантаты жесткие и плоские, поэтому изображение, которое они производят, часто выглядит размытым и искаженным. И хотя имплантаты достаточно хрупкие, они также могут повредить близлежащие ткани глаза.
Поэтому графен со всеми его уникальными свойствами может стать ключом к созданию лучшей искусственной сетчатки. Используя сочетание графена, дисульфида молибдена (другой двумерный материал), золота, оксида алюминия и нитрата кремния, исследователи из Техасского университета и Сеульского национального университета создали искусственную сетчатку, которая функционирует намного лучше, чем все существующие модели. Основываясь на лабораторных исследованиях и тестах на животных, ученые определили, что их искусственная сетчатка из графена
является биосовместимой и способной имитировать функции человеческого глаза. Кроме этого, она лучше соответствует размерам естественной сетчатки человеческого глаза.
МОСКВА, 13 мая – РИА Новости.
Американские биотехнологи создали прототип искусственной сетчатки глаза, который не требует системы питания, и работает на энергии инфракрасного излучения, говорится в статье, опубликованной в журнале Nature Photonics.
На сегодняшний день ученые во всем мире разрабатывают несколько видов имплантатов, в теории способных вернуть зрение, утерянное в результате дегенеративных болезней или происшествий. В одних случаях биологи экспериментируют со стволовыми клетками или отдельными клетками сетчатки, в других – физики и биотехнологи пытаются приспособить различные электронные приборы к работе с мозгом человека и животных. Но до сих пор ни в одном исследовании не было достигнуто существенных успехов.
Кибер-глаз
Группа ученых под руководством Джеймса Лаудина (James Loudin) из Стэнфордского университета (США) разработала новый тип электронной сетчатки глаза, пригодной для получения изображения высокой четкости и не требующей внешнего источника питания – основного препятствия на пути развития подобных технологий.
“Наше изобретение работает примерно так же, как солнечные батареи на крыше дома, преобразуя свет в электрические импульсы. Однако в нашем случае электричество питает не “холодильник”, а направляется в сетчатку в качестве сигнала”, – пояснил один из участников группы Дэниел Паланкер (Daniel Palanker).
Искусственная сетчатка глаза Лаудина и его коллег представляет собой набор из множества микроскопических единичных кремниевых пластинок, объединяющих в себе светочувствительный элемент, генератор электричества, а также некоторые другие элементы. Для работы этой сетчатки необходимы специальные очки со встроенной видеокамерой и карманный компьютер, обрабатывающий изображение.
Данное устройство работает следующим образом: камера в очках непрерывно преобразует свет в порции электронных импульсов. Каждый “кадр” обрабатывается на компьютере, делится на две половинки – для правого и левого глаза и передается в инфракрасные излучатели на обратной стороне линз очков. Очки испускают короткие импульсы инфракрасного излучения, которое активирует фотодатчики на сетчатке глаза и заставляет их передавать электрические импульсы, кодирующие картинку, в оптические нейроны.
“Современные имплантаты очень громоздкие, и операции по вставке всех необходимых компонентов в глаз невероятно сложны. В нашем случае хирург должен сделать лишь один небольшой надрез на сетчатке и погрузить под нее фоточувствительный компонент устройства”, – продолжил Паланкер.
Инфракрасное прозрение
По словам ученых, использование инфракрасного света для передачи информации обладает двумя ключевыми преимуществами. Во-первых, он позволяет наращивать мощность импульса до очень высоких значений, не вызывая боль в живых клетках сетчатки, так как светочувствительные клетки не реагируют на инфракрасное излучение. Во-вторых, высокая мощность излучения улучшает четкость изображения в тех случаях, когда нейроны под сетчаткой сильно повреждены или слабо реагируют на электрические импульсы.
Ученые проверили работу своего изобретения на сетчатках глаза и нервной ткани, взятых у зрячих и у слепых крыс. В этом эксперименте они прикрепляли фотоэлементы к небольшим кусочкам сетчатки, подключали электроды к прилегающим к ней нейронам и следили, начинают ли они испускать импульсы при облучении видимым и инфракрасным светом.
