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.

Кремниевая сетчатка

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.

В 2018 году 39 миллионов человек остаются слепыми. Из-за наследственных заболеваний, старения тканей, инфекций или травм. Одна из главных причин - это болезни сетчатки. Но наука развивается так быстро, что фантастика переходит из книг в лаборатории и операционные, снимая барьер за барьером. Ниже мы рассмотрим, какое будущее ждет офтальмологию, как будут лечить (и уже лечат), возвращать зрение, диагностировать недуги и восстанавливать глаза после операций.

Киборгизация: бионические глаза

Главный тренд офтальмологии будущего - бионические глаза. В 2018 году уже существуют 4 успешных проекта, и искусственные глаза сейчас - далеко не картинка из футуристического фэнтези.

Самый интересный проект - это Argus II от Second Sight. Устройство состоит из импланта, очков, камеры, кабеля и видеопроцессора. Имплант, имеющий передатчик, вживляется в сетчатку. Носимая с очками камера фиксирует изображения, которые процессор обрабатывает, генерируя сигнал, передатчик импланта принимает его и стимулирует клетки сетчатки. Так реконструируется зрение. Разработка изначально предназначалась для больных макулодистрофией. Это возрастное заболевание, оно сопровождается слабым кровоснабжением центра сетчатки и приводит к слепоте.

В чем недостаток технологии? Устройство стоит баснословные 150 тысяч долларов и не возвращает зрение полностью, лишь позволяя различать силуэты фигур. По состоянию на 2017 год 250 человек носят Argus II, что, безусловно, ничтожно мало.

У Argus II есть аналоги. Например, Boston Retinal Implant. Он тоже создан специально для пациентов с макулодистрофией и пигментным ретинитом (разложением фоторецепторов сетчатки). Он работает по похожему принципу, направляя сигналы нервным клеткам и создавая схематичное изображение объекта. Стоит назвать и IRIS, созданный для пациентов на последних стадиях деградации сетчатки. IRIS состоит из видеокамеры, носимого процессора и стимулятора. От них отличается Retina Implant AG. Имплант улавливает фотоны и активирует зрительный нерв, при этом устройство обходится без внешней камеры.

Импланты в головном мозге

Как ни странно, лечить зрение можно, не касаясь глаз. Для этого достаточно вживить в мозг чип, который будет стимулировать короткими электрическими разрядами зрительную кору. В этом направлении работает упомянутый выше Second Sight. Компания разработала альтернативную версию Argus II, которая совсем не затрагивает глаза и работает с мозгом напрямую. Девайс будет стимулировать нервные клетки током, извещая мозг о потоке света.

Искусственная сетчатка

Мы сказали, что пигментный ретинит поражает фоторецепторы сетчатки, из-за чего человек перестает воспринимать свет и слепнет. Это заболевание кодируется генетически. Сетчатка состоит из миллионов рецепторов. Мутация лишь в одном из 240 генов запускает их гибель и портит зрение, даже если связанные с ней зрительные нейроны будут целы. Как быть в этом случае? Имплантировать новую сетчатку. Искусственный аналог состоит из электропроводящего полимера с шелковой подложкой, завернутого в полимерный полупроводник. Когда падает свет, полупроводник поглощает фотоны. Вырабатывается ток и электрические разряды касаются нейронов сетчатки. Эксперимент с мышами показал, что при освещенности в 4-5 лк (Люксов), как в начале сумерек, мыши с имплантами реагируют на свет так же, как и здоровые грызуны. Томография подтвердила, что зрительная кора мозга крыс была активна. Неясно, будет ли разработка полезной для людей. Итальянский технологический институт (IIT) обещает отчитаться о результатах опытов в 2018 году.

Ошибка в коде

Носимые, вшиваемые и встраиваемые устройства - не единственная надежда офтальмологии. Для того, чтобы вернуть зрение, можно переписать генетический код, из-за ошибки в котором человек начал слепнуть. Метод CRISPR, который базируется на инъекции раствора с вирусом, несущим правильный вариант ДНК, излечивает наследственные заболевания. Исправление кода позволяет бороться с возрастной дегенерацией сетчатки, а также с амаврозом Лебера - крайне редким недугом, убивающим светочувствительные клетки. В мире им страдает около 6 тысяч человек. Препарат Luxturna обещает покончить с ним. Он содержит раствор с правильной версией гена RPE65, шифрующим структуру необходимых белков. Это инъекционный препарат - его вводят в глаз микроскопической иглой.

Диагностика и восстановление после операции

Сопровождающий нас повсюду смартфон - прекрасный инструмент для быстрой и точной диагностики. Например, синхронизированный со смартфоном офтальмоскоп Peek Vision позволяет делать снимки сетчатки где и когда угодно. А Google в 2016 году представил алгоритм анализа изображений, основанный на искусственном интеллекте, который позволяет выявлять признаки диабетической ретинопатии на снимках сетчатки. Алгоритм отыскивает мельчайшие аневризмы, указывающие на патологию. Диабетическая ретинопатия - это тяжелое поражение сосудов сетчатой оболочки глаза, ведущее к слепоте.

Будущее - за быстрым восстановлением после операций. Интересен препарат Cacicol, представленный турецкими исследователями в 2015 году. Их разработка снимает боль, повышенную чувствительность и жжение после операции на глазах. Препарат уже опробовали клинически: пациенты, которым сшивали роговицу (этот метод используется при лечении ее истончения - кератоконуса), отмечали снижение побочных эффектов.

Каким будет зрение будущего?

Уже сейчас офтальмология достигла поразительных успехов: прежде неизлечимую слепоту можно обратить, а наследственные заболевания побороть, переписав несколько участков генетического кода. В каком направлении будет идти развитие? Попробуем предположить:

Лучше предотвратить, чем лечить. Окулист в смартфоне и нейронная сеть, ставящая диагноз, обещают заметно сократить риск запущенных и едва излечимых болезней глаз. Дополненная реальность (AR) позволит распространять медицинские знания в игровой и необременительной форме. Уже сейчас есть приложения AR, моделирующие последствия катаракты и глаукомы. Знание, как известно, сила. Заменить, если нельзя вылечить. Киборгизация - это ключевой медицинский тренд. Нынешние разработки хороши, но они реконструируют зрение лишь отчасти, позволяя различать размытые контуры. В ближайшие 10 лет технология будет идти по пути повышения качества изображения и детализации. Важная задача - избавиться от носимых компонентов: камеры, очков, кабеля. Имплант должен стать мягче и, можно сказать, дружелюбнее для тканей человека, чтобы не ранить их. Вероятно, чипы без внешних вспомогательных элементов, вживляемые прямо в мозг - это самая перспективная ветка киборгизации зрения. Дешевле и доступнее: 150 тысяч долларов за устройство пока делают бионические глаза очень далекими от рынка и недосягаемыми для большинства больных. Следующий шаг - сделать их максимально доступными. Восстановление за часы: вживление чипов, коррекция сетчатки и даже исправление ДНК требуют хирургического вмешательства. Оно оставляет резь, жжение, фантомные боли и другие неприятные следствия. Препараты будущего будут регенерировать поврежденные ткани за часы. Фантастическое зрение для всех: мгновенный снимок с помощью глаза и сетчатка, подключенная к интернету, только сейчас выглядят как научная фантастика.

• Создана искусственная сетчатка, которая может вернуть нормальное зрение даже абсолютно слепым людям

Ученые-исследователи из Weill Cornell Medical College смогли расшифровать код нейронной сети сетчатки мыши. Благодаря этому увенчалась успехом попытка создания искусственного глаза, который позволил восстановить зрение слепым мышам. Кроме того, подобным образом уже был "взломан" код сетчатки обезьян, а она практически идентична человеческой сетчатке. Авторы открытия надеются, что в ближайшее время им удастся разработать и протестировать устройство, при помощи которого слепым людям можно будет восстановить зрение.

Это открытие позволит слепым людям видеть не только контуры предметов, но вернет абсолютно нормальное зрение с возможностью видения черт лица собеседника. На данном этапе исследования подопытные животные уже могут различать движущиеся предметы.

Сейчас ученые работают над созданием небольшого устройства по типу обруча или очков, при помощи которого собираемый свет будет преобразовываться в электронный код, который человеческий мозг трансформирует в изображение.

Заболевания сетчатки являются одной из самых частых причин слепоты, однако даже в случае гибели всех фоторецепторов, нервный выходной путь сетчатки, как правило, остается цел. Современные протезы уже используют этот факт: в глаз слепого пациента имплантируются электроды, стимулирующие ганглиозные нервные клетки. Однако такая технология дает лишь расплывчатую картинку, на которой можно рассмотреть лишь общие контуры предметов.

В качестве альтернативного способа стимулирования клеток ученые также проверяют использование светочувствительных белков. Эти белки вводятся в сетчатку при помощи генной терапии. Попав в глаз, белки могут стимулировать сразу многие ганглиозные клетки.

В любом случае, для того, чтобы была сформирована четкая картинка, необходимо знать код сетчатки, тот набор уравнений, который использует природа для превращения света в электрические импульсы, понятные мозгу. Ученые уже пытались найти его для простых объектов, таких как, например, геометрические фигуры. Невролог доктор Шейла Ниренберг предположила, что код должен быть обобщенный и работать как с фигурами, так и с пейзажами или человеческими лицами. Во ходе работы над кодом Ниренберг поняла, что это можно использовать для протезирования. В результате был проведен простой эксперимент, в ходе которого мини-проектор, управляемый расшифрованным кодом, посылал световые импульсы в светочувствительные белки, встроенные в ганглиозные клетки мышей с помощью генных манипуляций.

Тщательный контроль серии экспериментов показал, что качество зрения даже у собранного на скорую руку в лаборатории протеза практически совпадает с аналогичным показателем нормальной здоровой сетчатки мышей.

Новый подход в лечении нарушения зрения дает надежду миллионам человек во всем мире, которые страдают от слепоты из-за заболеваний сетчатки. Лекарственная терапия помогает лишь немногим из них, и совершенный протез будет крайне востребован.

По материалам http://www.cnews.ru

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.

Американские ученые изучали нейронный код клеток сетчатки у мышей. В результате были полученные данные, которые использовали при создании искусственного глаза. Это устройство потенциально может восстановить зрения слепым мышам. Другие ученые таким же образом изучали код сетчатки у обезьян. Оказалось, что структура и нейронная активность ее во многом схожа с человеческой. Авторы этих работ считают, что эти исследования помогут создать устройство, которое после тестирования поможет слепым людям вновь обрести зрение.

Важно отметить, что по задумке исследователей, искусственная сетчатка поможет видеть не только контуры предметов, но способна даже восстановить зрительную функцию в полном объеме. То есть ранее слепой пациент сможет различать мелкие детали, например, черты лица собеседника. В настоящий момент исследование находится на стадии апробации на животных, которые могут различать движущиеся предметы.

Основной задачей ученых на этом этапе является создание очков или устройства в виде обруча, при помощи которых внешний свет будет собираться и преобразовываться в специфический электронный код. Далее этот код в центральных структурах мозга будет трансформироваться в изображение.

Заболевания сетчатки стоят на первом месте среди причин слепоты. Однако, даже при повреждении всех фоторецепторных клеток, зрительный нерв обычно не повреждается, то есть сохранен нервный выходной путь глазного яблока. Современные протезы применяют этот факт. При этом в глаз слепого человека имплантируют специальные электроды. Они стимулируют ганглиозные нервные клетки. Но при этом можно получить только расплывчатую картинку, то есть человек воспринимает очертания предметов.

Еще одним альтернативным методом лечения слепоты является стимуляция клеток посредством светочувствительных белков. Их вводят в сетчатку глазного яблока с применением методов генной терапии. При попадании в сетчатки, эти белки стимулируют одновременно большое количество ганглиозных клеток.

Однако, для формирования четкого изображения, необходимо установить код сетчатки, то есть тот путь преобразования света в электрический импульс, который использует природа. В противном случае сформированные импульсы будут непонятны нейронам мозга и построение четкого изображения станет невозможным.

Сначала ученые пытали получить этот код, используя простые предметы, к которым относят, например, геометрические фигуры. Доктор неврологии Шейла Ниренберг предположила, что код сетчатки должен быть однотипным как для построения простых геометрических фигур, так и для создания более сложных картин (человеческие лица, пейзажи). Во время работы над этой теорией Ш. Ниренберг поняла, что гипотеза однотипности подходит для протезирования сетчатки. Она провела простой эксперимент, во время которого мини-проектор, которым управлял расшифрованный код, посылал электрические импульсы в ганглиозные клетки мышей. В эти клетки при помощи методик генной инженерии предварительно были встроены светочувствительные белки.

При анализе результатов, которые получены в серии экспериментов, было установлено, что качество зрения мыши, которой был имплантирован этот проектор, ничем не отличается от зрительной функции здорового грызуна.

Эта инновационная технология дает надежду огромному количеству пациентов с нарушением зрения. В связи с тем, что лекарственная терапия помогает лишь небольшой части ослепших людей, протез сетчатки будет очень востребован в клинической практике.