Біонічне око – штучна зорова система. Імплантати сітківки: майбутнє за високими технологіями

Очі – найскладніша система в організмі. І нейробіологи з'ясовують досі, як візуальні стимули можуть перетворюватися на інформаційні повідомлення, сприймані мозком. При цьому цей орган дуже тендітний, а розлади зору є одними з найпоширеніших серед усіх хвороб.

Варто згадати, що найсерйознішими неприємностями із зором є захворювання ( , пігментний та ін), адже близько чверті пацієнтів із цими захворюваннями закінчують повною . І все було б не так погано, якби захворювання сітківки піддавалися лікуванню, проте будь-яка терапія у таких випадках обмежується лише спробами уповільнити хворобу.

У той же час існує і нейрокомп'ютерне вирішення цієї проблеми – заміна сітківки електронним протезом. Один із таких пристроїв, Argus II, створений компанією SecondSight і вже рекомендований до широкого застосування в США. Клінічні випробування даного пристрою пройшли успішно, однак у Argus II все ще залишається маса невивчених можливостей, яким і присвятила своє дослідження робоча група з Очної лікарні Мурфілдс (Великобританія), під керівництвом проф. Івони Ло.

Потрібно сказати, що Argus II - це мініатюрна відеокамера на окулярах і пристрій, який бездротовим чином передає візуальну інформацію електронному імплантату. Завдання останнього - стимулювати клітини, які збирають інформацію, відповідно до інструкцій, що отримуються від зовнішнього пристрою.

Для участі в експерименті відібрали вісім пацієнтів, практично позбавлених зору через дегенерацію сітківки. Їх завданням було за допомогою приладу розрізнити два об'єкти (білий та металевий): спочатку на темному тлі, а потім з виділеними контурами. Для початку, хворим з тяжкою формою пігментного ретиніту пропонувалося зробити це з вимкненим пристроєм, потім - з працюючим некоректно, і нарешті, з працюючим нормально.

Розрізнити два предмети з вимкненим пристроєм пацієнтам вдалося у 12,5% випадків для першого досвіду та у 9,4% – для другого. З погано працюючим приладом відсоток успіху піднявся до 26,2% та 20,7%. І нарешті, з добре функціонуючим пристроєм, ступінь точності розрізнення склала 32,8% та 41,4% відповідно, що не може не вражати.

Успішну конкуренцію SecondSight у цьому напрямі становить BostonRetinalImplantProject (США), в якому беруть участь дослідники з Гарварду, Флоридського міжнародного університету, Массачусетського технологічного інституту та ін.

Відмінною особливістю таких пристроїв є мікрочіп, що передає зовнішні сигнали до клітин очного нерва. Це відбувається за допомогою електродів. Наприклад, у Argus II цих електродів 60, причому, чим їх більше, тим детальнішим вийде зображення, адже мікрочіп зможе активувати більше клітин, а значить повідомляти мозку більше інформації.

У зв'язку з цим можна з упевненістю передбачити боротьбу між виробниками імплантатів за збільшення числа електродів подібне до того, що сталося у сфері процесорних технологій, коли на одиниці площі намагалися вмістити якомога більше транзисторів.

Так ось, робочій групі проф. Кінзі Джонсу з міжнародного університету у Флориді зробити це вдалося. За їхньою технологією виробляють чіпи вже з 256 електродами. Дана технологія, щоправда, поки що чекає на клінічні випробування, але, вчені впевнені, що їх чіпам приготоване блискуче майбутнє.

Однак не потрібно думати, що подібні пристрої – панацея від проблем, пов'язаних із сітківкою. Які б успіхи не пророкували таким протезам, навряд чи в найближчому майбутньому вони зможуть повністю замінити сітківку в людському оці.

Вчені вже розробили та вдосконалюють очні імпланти. Біонічна сітківка застосовується для відновлення зору людям, які втратили його під впливом запальних, аутоімунних чи травматичних факторів. Поки що існують лише поодинокі приклади успішних операцій із вживлення очних протезів. Та й самі вони недосконалі, оскільки дають можливість бачити лише чорно-білу картинку. Але медики, вчені та інженери працюють над новими розробками.

Що являють собою і як працюють?

Зовні вони нагадують подібні конструкції із фантастичних фільмів. Біонічне око є оптичним протезом, що складається з електродів. Від них відходять мікропроводи до спеціальних окулярів, на які подається зображення. До проводок прикріплено перетворювачі сигналу. Окуляри виконують функцію кріпильного апарату. Вони утримують камери, зображення з яких передається до імплантованих електродів сітківку. Сигнали сприймаються зорової корою потиличних областей мозку, як готове зображення. Відбувається цього в обхід зруйнованих нейронів сітківки - паличок та колб.

Вживлені в сітчасту оболонку ока електроди виконують функції паличок і колб, які в здоровому органі зору функціонують, як індикатори світла і кольору.

Особливості імплантації очного протезу

Найважливіший етап операції - правильне імплантація біоніка в ретинальний шар.

Найбільша складність у тому, щоб вживити біонік ультратонкий ретинальний шар. Імплантація проводиться у спеціальній операційній, оснащеній мікрохірургічним інструментарієм. Якщо у пацієнта є його рідне око, що не виконує зорових функцій, при показанні до його видалення виробляють енуклеацію. Під час цієї операції повністю видаляють очне яблуко, місце якого у майбутньому імплантують протез. Важливо, що таке оперативне втручання рекомендується лише пацієнтам, які бачили від народження. Вроджена сліпота є протипоказанням до імплантації штучного ока, оскільки при ній не сформована зорова кора, необхідна для розпізнавання та інтерпретації сигналів.

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.

Рубрика: Методи лікування у Німеччині

При деяких захворюваннях видалення ока неминуче, до його втрати може призвести травма, трапляються й уроджені дефекти. Сучасні очні протези хоч і не повертають зір, але виконують багато інших важливих функцій.

КОЛИ ВИДАЛЯЮТЬ ОЧИ?

Різні причини можуть призвести до видалення ока, або, висловлюючись медичним терміном, його енуклеації.

Необоротна сліпота, що супроводжується болями, також є показанням до енуклеації. Зазвичай це виникає при внутрішньовенному тиску, що критично зростає, який, у свою чергу, розвивається на тлі цукрового діабету або закупорки судин з наступною неоваскулярною глаукомою.

Буває показане видалення з наступним протезуванням і при деяких важких косметичних дефектах, зумовлених, наприклад, запаленням рогівки, більмом, що росте, або травмами.

ЯК ПРОВОДИТЬСЯ ОПЕРАЦІЯ

Уражене чи травмоване око видаляється під загальним наркозом. Слизова оболонка відокремлюється від очного яблука, м'язи, що утримують його, і очний нерв розрізаються, і око може бути видалено. Кон'юнктива (слизова) залишається при цьому у тканинах практично повністю. Щоб заповнити порожнину, частини очних м'язів зшиваються разом, вводяться власні тканини пацієнта або штучний матеріал. До моменту власне протезування необхідно почекати загоєння післяопераційної рани. Через один або кілька тижнів вставляється тимчасовий пластмасовий імплантант, що перешкоджає скороченню западини очей, і лише через кілька місяців - постійний, з медичної пластмаси або спеціального скла.

Іноді у зв'язку з проблемною кон'юнктивою необхідно зробити кілька операцій для того, щоб оптимально підготувати очне дно до імплантування.

У деяких випадках операція може проводитися навіть амбулаторно, але протягом кількох днів необхідні регулярні перев'язки та контроль.

Звичайно, таке хірургічне втручання психологічно зазвичай важко переноситься пацієнтом, незважаючи навіть на те, що вже й до цього він навряд чи міг багато бачити пошкодженим оком, яке, напевно, доставляло чимало інших проблем. Однак звикання до обмеженої зорової перспективи відбувається, як правило, дуже швидко, цілком можливе і керування автомобілем. А якісний та успішно поставлений імплантант, який практично неможливо відрізнити від власного ока, вирішує усі косметичні та естетичні проблеми.

ЗАВДАННЯ ТА ТИПИ ПРОТЕЗІВ

Одне з головних завдань імплантованого протезу полягає в тому, щоб забезпечувати максимальну природну рухливість, що підтримується очними м'язами, що збереглися. З медичної точки зору імплантат зобов'язаний захищати очну западину і перешкоджати її природному скороченню з часом. Для дітей дуже важлива підтримка процесу їх зростання та розвитку із збереженням симетричних рис обличчя.

Існують два основні типи протезів - скляні та пластмасові. Обидва виконуються рідкісними фахівцями у своїй справі, які мають спеціальну освіту.

Синтетичний матеріал, на відміну від скла, легший і тепліший, дає більше відчуття міцної посадки в очній западині. Пластик також простіше регулювати за розміром та візуально (наприклад, колір або імітацію кровоносних судин) – навіть через час після імплантації. "Розмальовується" такий протез вручну, що вимагає досить довгого часу. Хоча він не руйнується, що, безсумнівно, є суттєвою перевагою, але блідне і пошкоджується з плином років, потребує регулярного професійного чищення та досить частої заміни. Серед недоліків також - погана змочуваність і тому поверхня імплантанту, що легко пересихає, підвищена алергенність.

Лише дуже чутливі люди можуть дійсно в даному випадку за температурою визначити різницю між пластмасою та склом. Скляні імплантанти з особливого кріолітного або інших спеціальних видів скла після візуальної примірки сирих заготовок, що підходять даному пацієнту, індивідуально у нього на очах протягом години або трохи довше видуваються, особливим чином поліруються та доводяться до досконалості фахівцем. Скло, як правило, краще переноситься, добре зволожується – як би «плаває» у слізній рідині. Це добре сумісний із біологічними тканинами, позбавлений токсичності матеріал. Крім того, виготовлення та встановлення тут – дуже швидкий процес. Однак скляний імплантант більш крихкий, ніж синтетичний, і також, хоч і меншою мірою, схильний до природного зносу і вимагає періодичної заміни - як правило, один раз на рік, для дітей - раз на півроку.

Оптично обидва типи очних протезів не відрізняються один від одного і, будучи вдало підібраними та підігнаними, не тільки не впадають у вічі оточуючим, а й фактично їх наявність може стати помітною лише при пильному розгляді поблизу.

ВСТАНОВЛЕННЯ ТА НОШЕННЯ ПРОТЕЗУ

При першій установці протезу болісних відчуттів немає, проте вони можуть бути незвичними. Після імплантації пацієнт відчуває деякий дискомфорт, який проходить зазвичай вже через кілька днів, у міру звикання очної западини до протезу. Можливо, доведеться трохи потренуватися, щоб заплющувати і розплющувати очі так, як раніше, без зусилля. Носити протез також і вночі чи ні - питання, яке потребує окремого обговорення зі своїм лікарем; в останні роки перевага надається цілодобовому носінню.

Дуже часто і, на жаль, неусувне ускладнення - підвищена сльозогінність на місці віддаленого ока. Регулярне виймання та промивання протеза вже скоро здійснюється буквально за кілька секунд і дозволяє знизити сльозовиділення та підвищити відчуття комфорту. Рекомендують робити це як мінімум раз на день, вранці, звичайною чистою водою кімнатної температури, в жодному разі не над раковиною або іншою твердою поверхнею, а над рушником. За наявності сильних забруднень можна замочити протез на десять хвилин у підсоленій воді - але не використовувати будь-які засоби для чищення, за винятком дезінфікуючої рідини, рекомендованої окулістом, або оцту.

З сучасними протезами можливо при дотриманні простих запобіжних заходів займатися практично будь-якими, навіть екстремальними видами спорту.

На закінчення варто відзначити, що у Німеччині історично накопичено величезний досвід очного протезування, яке здійснюється у багатьох містах. Особливо успішним стало воно після 1870 року, коли було знайдено ідеальний матеріал – кріоліт, який досі використовується з цією метою.

Яна Ількун

Очний протез Argus II надходить у продаж у Європі та незабаром - в Америці. У ході випробувань цього «біонічного ока» частково вдалося повернути зір 30 людям віком від 28 до 77 років.
Результати вийшли різними – хтось зміг лише частково бачити світло, хтось почав розбирати газетні заголовки, деяким навіть удалося повернути кольоровий зір.

Протез Argus II бере на себе функції фоторецепторів - світлочутливих сенсорних нейронів сітківки ока, які перетворюють світло на електрохімічні імпульси, що передаються в мозок по зорових нервах. При таких захворюваннях як, наприклад, пігментний ретиніт відбувається дегенерація цих фоторецепторів, і людина сліпне.

Argus II є комплексом з 60 електродів, вживлених в сітківку ока, з'єднаних з мініатюрним приймачем, який так само, судячи з опису на сайті, кріпиться на очне яблуко; окулярів, оснащених камерою, і з'єднаних з комп'ютером. Сигнал, отриманий камерою, обробляється цим комп'ютером, що носиться, після чого передається на приймач, який дає вживленним електродам почати стимуляцію уцілілих клітин сітківки ока і зорового нерва.

Argus II на своєму призначеному місці.

Систему схвалили до використання в Євросоюзі і, мабуть, незабаром також схвалять у США. У Європі, щоправда, вона коштує понад 73 тисячі євро, а в США буде й того дорожче.

В даний час у Массачусетському технологічному інституті розробляється аналогічна система, але замість 60 у неї будуть 400 електродів. У свою чергу, в Стенфорді ведуться розробки іншого методу, що включає імплантацію в очне яблуко близько п'яти тисяч фотогальванічних елементів, що, за ідеєю, дозволить досягти набагато кращих результатів, ніж Argus II.

Ранній Аргус.

Незважаючи на те, що технології зорових імплантів ще не скоро дозволять насолодитися, наприклад, високою роздільною здатністю відео, навіть у недосконалих сенсорів з сотнею пікселів дозволу є потенціал забезпечити своїм носіям незрівнянно більший ступінь самостійності, ніж той, який був би у них за повної відсутності зору.

Не варто забувати, що подібні імпланти в принципі не здатні нічого вдіяти, якщо причиною сліпоти є проблема з зоровим центром мозку або зоровим нервом, а не пошкодження або деградація сітківки. Але це вже інша гілка технологій.

Ймовірно, як властиво високим технологіям, згодом Argus II покращуватиметься і дешевшатиме, але поки що на сайті технооглядів MIT ми бачимо ціну в $115,000. Це вартість самого пристрою, що не включає вартість його установки.

Відео з сайту розробника.

Назва "Аргус", ймовірно, взята з грецької міфології, де це ім'я носив невсипущий страж-велетень. У різних варіантах міфу кількість очей у Аргуса варіювалася від 4 до 1000, але всі вони сходяться на моменті, що Аргус ніколи не стуляв усіх очей одночасно і тому ніколи не спав.
Гера поставила його охороняти прекрасну Іо, яка на той момент перебувала у вигляді не менш прекрасної, але все ж таки корови. Аргус сумлінно виконував доручення, однак у якийсь момент був убитий Гермесом, богом торгівлі, злодійства та обману, якого Зевс відправив забрати Іо.
Дізнавшись про смерть Аргуса, Гера зробила те, що потрібно зробити важливому персонажу міфу, коли розповідь наближається до кінця: помістила очі Аргуса на павичі пір'я. З того часу, треба розуміти, у нас є не тільки непоказні самки павичів, а й втішні оку павичі-чоловіка.

Про численні очі, павичство і розчулення.
Якщо до мене колись потрапить представник цього виду, єдине щодо чого не буде сумнівів, це ім'я для нього.

З вам був павучий павук.
Прекрасне створення, яке, якби воно було трохи більшим і не так схильним раптово і дуже швидко стрибати, могло б лікувати людей від арахнофобії.

Джерела: