Штучна сітківка. Більш суттєві результати

Сітківка – найважливіша частина ока. Вона складається з мільйонів світлочутливих фоторецепторів, які відповідають як за кольоровий, так і за сутінковий зір. Ушкодження фоторецепторів – паличок та колбочок – внаслідок різних захворювань веде до поступового погіршення зору та повної його втрати.

Найчастіше захворювання (серед яких пігментна дистрофія сітківки) призводять до руйнації лише самих фоторецепторів, не торкаючись нейрони сітківки. Дослідники вже робили спроби впоратися з такою сліпотою, використовуючи, наприклад, біонічне око. У сітківку пацієнтів вбудовували спеціальний мікрочіп, обладнаний електродами. Пацієнти пропонувалося користуватись окулярами з відеокамерою, сигнал від якої передавався спочатку до чіпа, а потім – у головний мозок.

Вчені з Італійського технологічного інституту (Italian Institute of Technology) запропонували принципово інший підхід, створивши штучну сітківку, яку можна імплантувати в око пацієнта. «Протез сітківки» складається з декількох шарів: полімерного матеріалу, що проводить, субстрату на основі шовку і шару напівпровідника. Саме він уловлює фотони, що надходять через зіницю – це призводить до електростимуляції нейронів сітківки та подальшої передачі сигналу в головний мозок.

Дослідники вже випробували свій винахід на щурах, які страждали на дегенерацію сітківки. Через місяць після операції зі встановлення імплантату вчені оцінили зіничний рефлекс у тварин зі штучною сітківкою, тварин, які не проходили лікування та здорових щурів.

Реакція на низьку освітленість (1 люкс), порівнянну освітленістю під час повного місяця, у щурів з дегенерацією сітківки та тих, кому встановили імплантат, практично не відрізнялася. Однак на більш яскраве світло прооперовані тварини реагували практично також як здорові.

Через 6 і 10 місяців після операції тестування повторили - зір у всіх тварин став гіршим, оскільки щури постаріли, але ефект від встановлення штучної сітківки, як і раніше, зберігався. Автори також показали, що під дією світла активувалася первинна зорова кора - саме та область головного мозку, яка відповідає за переробку зорової інформації.

Дослідники визнають, що поки що не до кінця розуміють як функціонує штучна сітківка – це ще належить з'ясувати. Також поки що неясно, чи допоможе новий протез людям – не завжди результати, отримані на тваринах, вдається повторити на пацієнтах. Однак Грація Пертіле (Grazia Pertile), одна з членів дослідницької групи, пояснює, що сітківку можуть почати випробовувати на людях вже у другій половині цього, 2017 року, а перші результати цих випробувань будуть отримані до початку 2018 року.

Приніс із собою нові технології, які допомогли втілити в життя раніше неможливі та незвичайні винаходи. До таких відкриттів відносяться:

• штучна сітківка ока;
• проекційна клавіатура;
• електронна сигарета;
• мозковий інтерфейс;
• використання цифрових камер у мобільних телефонах;
• цифровий синтезатор запахів;
• електронний папір;
• портативний ядерний реактор;
• настільний 3D-сканер;
• штучна хромосома;
• "розумні" палички для їжі;
• нанороботи.

Оскільки пройдено ще менше п'ятої частини століття, то, швидше за все, попереду всіх чекають найнезвичайніші винаходи людства, розроблені та створені у майбутньому. На сьогоднішній день відкриті новинки показують, до чого дійшов технічний прогрес і якими незвіданими раніше можливостями може скористатися людина.

Розглянемо докладніше деякі незвичайні винаходи людини, створені на початку ХХ століття.

Штучна сітківка ока

Це відкриття належить японським ученим. Вироблена сітківка є алюмінієвою матрицею, де використовуються напівпровідникові елементи з кремнію. Роздільна здатність становить 100 пікселів.

Сітківка буде виконувати свої функції, якщо вона була встановлена ​​в комплекті зі спеціальними окулярами та невеликим комп'ютером. Окуляри із вбудованою відеокамерою використовуються для отримання та передачі зображення комп'ютеру, де відбувається обробка. Камера в окулярах перетворює світло на порції електронних імпульсів. Після обробки зображення комп'ютер ділить його навпіл і передає на ліве і праве око, в інфрачервоні випромінювачі, розташовані на звороті лінз окулярів. Окуляри випромінюють короткі імпульси інфрачервоного випромінювання, яке активує фотодатчики на сітківці ока і змушує їх передавати електричні імпульси, що кодують картинку, оптичні нейрони.

У майбутньому планується, що така сітківка зможе повернути зір незрячій людині та допоможе бачити дрібніші предмети.

Пізніше японські вчені змогли виростити сітківку ока зі стовбурових клітин мишей, її тестування ще закінчено.

Проекційна клавіатура

З часом з'являються нові і нові винаходи. присутні у житті людини, одна з них – це проекційна клавіатура.

З її допомогою з'являється можливість проектувати клавіші на поверхню, де і відбувається їхнє натискання. Відеопроектор, який проектує клавіатуру, має датчик, здатний відстежувати рухи пальців, після чого обчислює координати натиснутих клавіш і на дисплеї виводить правильно набраний текст. Однак така клавіатура має недоліки, її не можна використовувати на природі.

Електронна сигарета

Це відкриття зробив китайський вчений після того, як його батько помер від раку легенів. Нікотинова залежність – одна з найсильніших у світі. Чого тільки не робить людина, яка кидає палити. Він намагається замінити цю звичку на щось інше, наприклад, клеїть купує жуйки, намагається знайти альтернативу куріння.

Електронна сигарета – це пристрій, за допомогою якого імітується процес куріння. При використанні такої новинки людина не цурається своєї звички, не шукає замін, а зазвичай проводить час. Однак курець не псує свої легені отруйною смолою та продуктами горіння, оскільки вони відсутні у даному виді пристрою. Таким чином, людина, що курить електронну сигарету, може позбутися нікотинової залежності.

Мозковий інтерфейс

Незвичайні винаходи 21 століття досить різноманітні, і одна з них - мозковий інтерфейс.

Приклад управління предметами думкою продемонстрували японської компанією. Людина силою думки змушувала перемикатися вимикач, встановлений на масштабній залізниці.

Принцип дії: в інфрачервоному спектрі відбувається просвічування та зйомка кори головного мозку. При проведенні такої процедури добре видно проходження судинами гемоглобіну як з киснем, так і без, при цьому видно і об'єм крові в різних ділянках мозку. Такі зміни машина перетворює на сигнали напруги, які керують зовнішніми пристроями. Таким чином відбувається управління перемикачем поїзда.

У проекті планується досягти складнішого дешифрування змін у роботі мозку людини. Отримання сигналів виконання буде вершиною розвитку людино-машинного інтерфейсу.

Цифровий синтезатор запахів

Сьогодні нікого вже не здивуєш 3D-звуком чи 3D-відео. На сьогоднішній день це досить популярні винаходи. Незвичайні технології увійшли до нашого життя на початку 21-го століття. Французька компанія представляє своє рішення цифрового виміру запахів. Поява такої новинки принесла різноманітність у «цифрове життя» суспільства. Різноманітність запахів синтезуватиметься з картриджів. Це додасть родзинки до перегляду фільмів та відеоігор.

Електронний папір

Являє собою те саме, що і електронне чорнило. Інформація відображається на спеціальному дисплеї. В електронних книгах використовується електронний папір, також він застосовується і в інших галузях. Електронне чорнило у відбитому світлі може відображати графіку та текст досить довго, не витрачаючи при цьому багато енергії.

Переваги такого паперу:

• економія енергії;
• даний вид читання не навантажує очі, як звичайний папір, отже, не псує зір людини.

Електронний папір може відображати відеоролик із частотою 6 кадрів за секунду, передає 16 відтінків сірого кольору.

Продовжуються роботи з удосконалення даного винаходу та збільшення швидкості показу.

Настільний 3D-сканер

Принцип роботи такого пристрою полягає у використанні двох камер, зображення з яких формується та порівнюється. За допомогою такого сканера створюються точні тривимірні моделі необхідних об'єктів. Вони відображаються з максимальною точністю різних деталей. Інформація передається в математичному, комп'ютерному та цифровому вигляді, несе дані про розміри, форму, колір сканованого елемента.

За допомогою комп'ютера здійснюється керування налаштуваннями зображення. Всі отримані дані аналізуються і зображення з'являється на екрані вже в тривимірному просторі.

«Розумні» китайські палички для їжі

Одна з двадцять першому столітті презентувала увазі аудиторії «розумні» палички для їжі. Суть даного винаходу в тому, що при зануренні паличок в їжу на екрані гаджета, на якому встановлено необхідну програму, відображається інформація про якість їжі. Тобто, опустивши, наприклад, палички в масло, ви на екрані побачите повідомлення "хороше" або "погане", виходячи з якості продукту, що перевіряється.

До випуску такого винаходу вчених підштовхнула ситуація із продуктами в Китаї. У країні виявлено багато захворювань саме через споживання неякісної їжі. Часто продукти готують на тому самому маслі, що призводить до появи в ньому токсичних речовин.

«Розумні» палички можуть показати:

• свіжість олії;
• рівень pH;
• температуру рідини;
• кількість калорій у фруктах.

Виробники збираються розширювати можливості паличок, щоб за їх допомогою можна було визначати більшу кількість показників їжі. ще не було випущено у доступний продаж, оскільки поки що не ведеться масове виробництво.

Винахід: нанороботи

На сьогоднішній день багато вчених прагнуть створити нанороботів - машини, які зможуть працювати на атомному та молекулярному рівнях. Такий винахід дасть змогу виробляти молекулярні матеріали. Можна буде, наприклад, робити кисень чи воду. Також у господарській сфері вони зможуть створювати продукти харчування, паливо та брати участь в інших процесах, що забезпечують життєдіяльність людини. Такі роботи зможуть самі себе створювати.

Нанотехнології є символом майбутнього та одним із векторів розвитку цивілізації. Їх використання можливе практично у будь-яких сферах людського життя.

У медицині поява нанороботів призведе до повного лікування організму людини. Їх можна буде запустити до тіла. Правильно запрограмовані машини почнуть знищувати віруси та інші шкідливі речовини, що знаходяться усередині організму. За допомогою нанотехнологій можна надати красивого та здорового вигляду шкірі людини.

В екології електронні машини допоможуть припинити забруднення планети. З їхньою допомогою можна буде проводити очищення води, повітря та інших життєво важливих джерел здоров'я людини.

Такі незвичайні винаходи людства можуть допомогти у вирішенні складних завдань, проте на даний момент розробки знаходяться на науково-дослідній стадії.

На сьогоднішній день створено деякі компоненти майбутніх молекулярних машин, проводяться різні конференції, присвячені питанню створення нанороботів.

Існують примітивні зразки майбутніх машин. У 2010 році вперше було показано молекулярні машини на основі ДНК, які можуть переміщатися у просторі.

Світ нанотехнологій не стоїть на місці, і можливо, 21 століття ще буде найменовано століттям, в якому з'являться найнезвичайніші винаходи.

Віртуальний світ

Нове століття принесло з собою віртуальне спілкування, знайомства, ігри. Людина будує сам свій світогляд, створює свої віртуальні сторінки у Всесвітніх соціальних мережах. Тому можна сказати, що незвичайні винаходи, що своїми руками створені, - це соціальні мережі.

Розвиток технологій призводить до зменшення реальних зустрічей та більше схиляє до віртуального спілкування.

Нові віртуальні винаходи, незвичайні функції яких допомагають адаптації людини у віртуальному соціумі, - це:

Висновок

Винаходи бувають дурними та розумними, корисними та не дуже. Проте з кожним роком незвичайні винаходи світу удосконалюються, на тлі одних розвиваються інші. Людство прагне винайти щось надзвичайне, що здивує всіх. При цьому новинка має приносити в життя людей зручність, полегшувати в чомусь життя людині.

21-е століття ще приноситиме нові винаходи, незвичайні можливості, завдяки яким людство зможе освоювати невідомі раніше простори і набувати нових знань.

• Створено штучну сітківку, яка може повернути нормальний зір навіть абсолютно сліпим людям

Вчені-дослідники Weill Cornell Medical College змогли розшифрувати код нейронної мережі сітківки миші. Завдяки цьому увінчалася успіхом спроба створення штучного ока, яке дозволило відновити зір сліпим мишам. Крім того, подібним чином вже був зламаний код сітківки мавп, а вона практично ідентична людській сітківці. Автори відкриття сподіваються, що найближчим часом їм вдасться розробити та протестувати пристрій, за допомогою якого сліпим людям можна буде відновити зір.

Це відкриття дозволить сліпим людям бачити не лише контури предметів, але поверне абсолютно нормальний зір із можливістю бачення рис особи співрозмовника. На даному етапі дослідження піддослідні тварини вже можуть розрізняти предмети, що рухаються.

Зараз вчені працюють над створенням невеликого пристрою за типом обруча або окулярів, за допомогою якого світло, що збирається, буде перетворюватися в електронний код, який людський мозок трансформує в зображення.

Захворювання сітківки є однією з найчастіших причин сліпоти, проте навіть у разі загибелі всіх фоторецепторів нервовий вихідний шлях сітківки, як правило, залишається цілим. Сучасні протези вже використовують цей факт: у око сліпого пацієнта імплантуються електроди, що стимулюють гангліозні нервові клітини. Проте така технологія дає лише розпливчасту картинку, де можна розглянути лише загальні контури предметів.

Як альтернативний спосіб стимулювання клітин вчені також перевіряють використання світлочутливих білків. Ці білки вводяться в сітківку з допомогою генної терапії. Потрапивши в око, білки можуть стимулювати відразу багато гангліозних клітин.

У будь-якому випадку, щоб була сформована чітка картинка, необхідно знати код сітківки, той набір рівнянь, який використовує природа для перетворення світла на електричні імпульси, зрозумілі мозку. Вчені намагалися знайти його для простих об'єктів, таких як, наприклад, геометричні фігури. Невролог доктор Шейла Ніренберг припустила, що код має бути узагальнений і працювати як із фігурами, так і з краєвидами чи людськими обличчями. Під час роботи над кодом Ніренберг зрозуміла, що це можна використовувати для протезування. В результаті був проведений простий експеримент, в ході якого міні-проектор, керований розшифрованим кодом, посилав світлові імпульси світлочутливі білки, вбудовані в гангліозні клітини мишей за допомогою генних маніпуляцій.

Ретельний контроль серії експериментів показав, що якість зору навіть у зібраного нашвидкуруч у лабораторії протеза практично збігається з аналогічним показником нормальної здорової сітківки мишей.

Новий підхід у лікуванні порушення зору дає надію мільйонам людей у ​​всьому світі, які страждають від сліпоти через захворювання сітківки. Лікарська терапія допомагає лише небагатьом із них, і досконалий протез буде вкрай затребуваний.

За матеріалами http://www.cnews.ru

У 2018 році 39 мільйонів людей залишаються сліпими. Через спадкові захворювання, старіння тканин, інфекцій чи травм. Одна з головних причин – це хвороби сітківки. Але наука розвивається так швидко, що фантастика переходить із книг у лабораторії та операційні, знімаючи бар'єр за бар'єром. Нижче ми розглянемо, яке майбутнє чекає на офтальмологію, як будуть лікувати (і вже лікують), повертати зір, діагностувати недуги та відновлювати очі після операцій.

Кіборгізація: біонічні очі

Головний тренд офтальмології майбутнього – біонічні очі. У 2018 році вже існують 4 успішні проекти, і штучні очі зараз - далеко не картинка з футуристичного фентезі.

Найцікавіший проект – це Argus II від Second Sight. Пристрій складається з імпланту, окулярів, камери, кабелю та відеопроцесора. Імплант, що має передавач, імплантується в сітківку. Носимо з окулярами камера фіксує зображення, які процесор обробляє, генеруючи сигнал, передавач імпланта приймає його і стимулює клітини сітківки. Так реконструюється зір. Розробка спочатку призначалася для хворих на макулодистрофію. Це вікове захворювання, воно супроводжується слабким кровопостачанням центру сітківки та призводить до сліпоти.

У чому недолік технології? Пристрій коштує нечувані 150 тисяч доларів і не повертає зір повністю, лише дозволяючи розрізняти силуети фігур. Станом на 2017 рік 250 осіб носять Argus II, що, безумовно, дуже мало.

Argus II має аналоги. Наприклад, Boston Retinal Implant. Він також створений спеціально для пацієнтів з макулодистрофією та пігментним ретинітом (розкладанням фоторецепторів сітківки). Він працює за схожим принципом, спрямовуючи сигнали нервовим клітинам та створюючи схематичне зображення об'єкта. Варто назвати і IRIS, створений для пацієнтів на останніх стадіях деградації сітківки. IRIS складається з відеокамери, процесора, що носиться, і стимулятора. Від них відрізняється Retina Implant AG. Імплант вловлює фотони та активує зоровий нерв, при цьому пристрій обходиться без зовнішньої камери.

Імпланти у головному мозку

Як не дивно, лікувати зір можна, не торкаючись очей. Для цього достатньо вживити в мозок чіп, який стимулюватиме короткими електричними розрядами зорову кору. У цьому напрямі працює згаданий вище Second Sight. Компанія розробила альтернативну версію Argus II, яка зовсім не торкається очей і працює з мозком безпосередньо. Девайс стимулюватиме нервові клітини струмом, сповіщаючи мозок про потік світла.

Штучна сітківка

Ми сказали, що пігментний ретиніт вражає фоторецептори сітківки, через що людина перестає сприймати світло і сліпне. Це захворювання кодується генетично. Сітківка складається з мільйонів рецепторів. Мутація лише в одному з 240 генів запускає їхню загибель і псує зір, навіть якщо пов'язані з нею зорові нейрони будуть цілі. Як бути у цьому випадку? Імплантувати нову сітківку. Штучний аналог складається з електропровідного полімеру з шовковою підкладкою, загорнутого в полімерний напівпровідник. Коли світло падає, напівпровідник поглинає фотони. Виробляється струм та електричні розряди стосуються нейронів сітківки. Експеримент з мишами показав, що при освітленості в 4-5 лк (Люксів), як на початку сутінків, миші з імплантами реагують на світло так само, як і здорові гризуни. Томографія підтвердила, що зорова кора мозку щурів була активною. Незрозуміло, чи буде розробка корисною для людей. Італійський технологічний інститут (IIT) обіцяє звітувати про результати дослідів у 2018 році.

Помилка коду

Носімі, вшиваються і вбудовувані пристрої - не єдина надія офтальмології. Для того, щоб повернути зір, можна переписати генетичний код, через помилку в якому людина почала сліпнути. Метод CRISPR, що базується на ін'єкції розчину з вірусом, що несе правильний варіант ДНК, виліковує спадкові захворювання. Виправлення коду дозволяє боротися з віковою дегенерацією сітківки, а також з амаврозом Лебера - вкрай рідкісною недугою, що вбиває світлочутливі клітини. У світі на них страждає близько 6 тисяч людей. Препарат Luxturna обіцяє покінчити з ним. Він містить розчин із правильною версією гена RPE65, що шифрує структуру необхідних білків. Це ін'єкційний препарат – його вводять у око мікроскопічною голкою.

Діагностика та відновлення після операції

Справжній нас усюди смартфон - чудовий інструмент для швидкої та точної діагностики. Наприклад, синхронізований зі смартфоном офтальмоскоп Peek Vision дозволяє робити знімки сітківки де і будь-коли. А Google у 2016 році представив алгоритм аналізу зображень, що ґрунтується на штучному інтелекті, який дозволяє виявляти ознаки діабетичної ретинопатії на знімках сітківки. Алгоритм шукає дрібні аневризми, що вказують на патологію. Діабетична ретинопатія - це тяжке ураження судин сітківки ока, що веде до сліпоті.

Майбутнє – за швидким відновленням після операцій. Цікавим є препарат Cacicol, представлений турецькими дослідниками у 2015 році. Їх розробка знімає біль, підвищену чутливість та печіння після операції на очах. Препарат вже випробували клінічно: пацієнти, яким зшивали рогівку (цей метод використовується при лікуванні її стоншення – кератоконуса), відзначали зниження побічних ефектів.

Яким буде зір майбутнього?

Вже зараз офтальмологія досягла разючих успіхів: насамперед невиліковну сліпоту можна навернути, а спадкові захворювання побороти, переписавши кілька ділянок генетичного коду. У якому напрямі йтиме розвиток? Спробуємо припустити:

Краще запобігти, ніж лікувати. Окуліст у смартфоні та нейронна мережа, що ставить діагноз, обіцяють помітно скоротити ризик запущених і ледь виліковних хвороб очей. Доповнена реальність (AR) дозволить поширювати медичні знання в ігровій та необтяжливій формі. Вже зараз є програми AR, що моделюють наслідки катаракти та глаукоми. Знання, як відомо, – сила. Замінити, якщо не можна вилікувати. Кіборгізація – це ключовий медичний тренд. Нинішні розробки хороші, але вони реконструюють зір лише частково, дозволяючи розрізняти розмиті контури. У найближчі 10 років технологія йтиме шляхом підвищення якості зображення та деталізації. Важливе завдання - позбутися компонентів, що носяться: камери, окулярів, кабелю. Імплант повинен стати м'якшим і, можна сказати, дружелюбнішим для тканин людини, щоб не поранити їх. Ймовірно, чіпи без зовнішніх допоміжних елементів, що вживлюються прямо в мозок – це найперспективніша гілка кіборгізації зору. Дешевше і доступніше: 150 тисяч доларів за пристрій поки що роблять біонні очі дуже далекими від ринку і недосяжними для більшості хворих. Наступний крок – зробити їх максимально доступними. Відновлення за години: вживлення чіпів, корекція сітківки та навіть виправлення ДНК вимагають хірургічного втручання. Воно залишає різь, печіння, фантомні болі та інші неприємні наслідки. Препарати майбутнього будуть регенерувати пошкоджені тканини за годинник. Фантастичний зір для всіх: миттєвий знімок за допомогою ока та сітківка, підключена до інтернету, тільки зараз виглядають як наукова фантастика.

Дослідники медичної школи Стендфордського університету, які працюють під керівництвом професора Даніеля Паланкера (Daniel Palanker), розробили бездротовий сітчастий імплантат, який у майбутньому дозволить відновлювати зір у п'ять краще, ніж існуючі пристрої. Результати досліджень на щурах свідчать про здатність нового пристрою забезпечувати функціональний зір пацієнтам із дегенеративними захворюваннями сітківки, такими як пігментна дистрофія сітківки та макулярна дегенерація.

Дегенеративні захворювання сітківки призводять до руйнування фоторецепторів - так званих паличок і колб, - тоді як інші частини ока, як правило, зберігаються в хорошому стані. Новий імплантат використовує електричну збудливість однієї з популяцій нейронів сітківки, відомих як біполярні клітини. Ці клітини обробляють сигнали, що надходять з фоторецепторів, до того, як вони досягають гангліонарних клітин, що відправляють зорову інформацію в головний мозок. Стимулюючи біполярні клітини, імплантат користується важливими природними властивостями нейронної системи сітківки, що забезпечує отримання більш детальних зображень порівняно з пристроями, що не впливають на ці клітини.

Імплантат, що виготовляється з оксиду кремнію, складається з шестикутних фотоелектричних пікселів, що конвертують світлове випромінювання, що випускається одягненими на очі пацієнта спеціальними окулярами, в електричний струм. Ці електричні імпульси стимулюють біполярні клітини сітківки, запускаючи нейронний каскад, що досягає головного мозку.

Читати також:

Як виглядають магнітні хвилі?

Чіп твердотільного компаса, що передає сигнали в області кори головного мозку сліпого щура, що відповідають за обробку візуальної інформації, дозволив тварині "бачити" геомагнітні поля.

Бездротовий протез сітківки

Біотехнологи зі Стенфордського університету успішно пересадили в очі щурів протези сітківки, які обходяться без джерела живлення та потребують мінімального хірургічного втручання для імплантації.

Електронні сітківки вдосконалюються

Бездротова біонічна сітківка Alpha IMS працює без зовнішньої камери, забезпечуючи вільний рух очей, та подає сигнали від 1500 пікселів на довколишні нейронні шари сітківки та на зоровий нерв, повністю імітуючи роботу клітин-фоторецепторів.

Перша електронна сітківка виходить на ринок США

FDA схвалило першу штучну сітківку – пристрій, що імплантується, з деякими функціями сітківки, який допоможе людям, які втратили зір внаслідок генетичного захворювання – пігментного ретиніту.

Оптоелектронна сітківка без батарейок

Для створення штучної сітківки вчені вирішили використовувати фотоелементи, що активуються інфрачервоним променем, що дозволило поєднати передачу візуальної інформації з передачею енергії та спростити пристрій імплантату.