MEMBRANA | Бионический глаз вживается в образ электродами
7 апреля 2005
Чип на дне глаза слепого - давняя идея. Только вот найти оптимальную конструкцию
оказалось сложнейшей задачейСоздавая внутриглазные электронные имплантаты, большинство
авторов совершает ошибку: отказывается от "остатка" зрения, которое ещё есть,
и пробует заменить
его камерой. Но интересная картина нарисуется, если создать биоэлектронный гибрид.
Дэниел Паланкер из Стэнфордского университета (
Stanford University)
и его научная группа "Биомедицинской физики и офтальмологических технологий"
(
Group of BioMedical Physics and Ophthalmic Technologies)
разработали оригинальный протез сетчатки высокого разрешения или "Бионический
глаз" (
Bionic Eye),
обладающий целым рядом преимуществ перед предыдущими проектами лечения слепоты
с помощью электронных имплантатов.
Возрастная деградация сетчатки, при которой умирает значительное количество светочувствительных
клеток, и такое заболевание, как пигментоз - ответственны
за слепоту (или близкое к "нулю" зрение) миллионов людей во всём мире.
Множество научных групп и лабораторий экспериментируют с имплантатами сетчатки.
Поскольку при указанных дефектах сами нервные клетки (в основном) остаются
в порядке, можно направлять в них слабые электрические импульсы с некой схемы
- решётки из электродов, размещённой прямо в сетчатке.
Соответственно, импульсы эти должны отражать картинку, которую снимает миниатюрная
видеокамера, закреплённая на голове.
Блестящий замысел. Если бы не ряд "но". Во-первых, размещение большого числа
электродов на маленькой площади - это препятствие биологического плана. Схема
просто перегревает глаз.
Кроме того, даже имплантировав решётку в толщу сетчатки, нельзя добиться слишком
близкого соприкосновения электродов и её глубинных клеток, лежащих непосредственно
под умершими фоторецепторами.
И получается, что как только инженеры сближают электроды между собой (то есть
увеличивают разрешение микросхемы), каждый из них начинает действовать сразу
на ряд ближайших клеток - а должен, в идеале, - только на одну, иначе смысл в
высоком разрешении изображения телекамеры полностью пропадает.
Чтобы это препятствие обойти, нужно "привязать" по одному электроду на одну,
от силы - две клетки. Но для плотности пикселей, геометрически соответствующей
остроте зрения 20/400 (это почти невидящий человек, порог "юридической слепоты",
как пишут авторы работы, а в наших единицах - это зрение 0,05) клетки
должны располагаться не дальше 30 микрон от электродов.
А для остроты 20/80 (0,25) это расстояние не должно превышать 7 микронов. При
такой остроте зрения, кстати, уже можно пользоваться компьютером, передвигаться
по городу, распознавать лица и вообще - вести самостоятельную жизнь.
Нажимать же на имплантат при внедрении (чтобы плотнее прижать электроды к слою
клеток) нельзя - велик риск травмы сетчатки.
А ведь расстояние между каждым из электродов и его "подшефной" клеткой - далеко
не всё. Для такой остроты зрения (20/80) нужно иметь плотность пикселей
в 2,5 тысячи на квадратный миллиметр.
А тут начинает проявляться не только паразитная перекрёстная связь между соседними
электродами, но и перегрев (клетки нельзя нагревать больше, чем на один
градус выше естественной температуры в глазу), а также - нарушение электрохимии
в окружающей микросхему живой среде.
Потому никому до сих пор не удавалось создать устройство с числом электродов
(читай - транслируемых пикселей) больше нескольких штук, десятков, ну, может
быть - сотни. А нужно их иметь - многие тысячи.
Тут сделаем ещё один мини-экскурс в биологию. Глаз имеет примерно 100 миллионов
фоторецепторов (это как камера на 100 мегапикселей). Однако в составе зрительного
нерва в мозг идёт всего 1 миллион раздельных каналов. Информация пропадает?
Нет, оказывается, в самой сетчатке уже происходит предварительная обработка,
некое суммирование информации. Сама сетчатка - это ведь не только слой фоторецепторов,
но слой нервной сети.
Теперь, если возвращаться к имплантатам с электродами, необходимо сказать - есть
несколько подходов к размещению такого имплантата в глазу. Он может занимать
различные слои по глубине.
Можно обойтись меньшим числом электродов (только тогда необходимо имитировать
суммированные сигналы нервной сети сетчатки), а если возбуждать нервные клетки,
лежащие ближе к фоторецепторам - можно хорошо воспроизводить систему зрения,
только плотность пикселей в имплантате должна быть высокой.
Чтобы разрешить это противоречие, авторы нового проекта провели ряд опытов на
крысах. И обнаружили новый биологический эффект. Учёные внедряли в сетчатки
животных полимерные пластинки с маленькими отверстиями - диаметром 15-40 микрон.
И вот через считанные часы клетки сетчатки сами начали передвигаться в отверстия,
в течение всего нескольких дней заполняя полости под ними. Аналогично
клетки вели себя и по отношению к пластине, которую покрывали стройные ряды длинных
выступов-башенок. Клетки быстро заполняли промежутки между этими выступами.
В новом проекте клетки сетчатки заманиваются в полости имплантата. На его поверхности
и в отверстиях создаётся система стимулирующих электродов
"Если гора не идёт к Магомету, то Магомет идёт к горе, - сказал Паланкер. - Мы
не можем поместить электроды близко к клеткам. Но мы фактически приглашаем
клетки прибыть в область электродов, и они делают это с удовольствием и очень
быстро".
Таким образом, в проекте нового имплантата удалось добиться той самой плотности
2,5 тысячи электродов на квадратный миллиметр с соблюдением дистанции между
каждым электродом и его личной клеткой - до 7 микрон. Электроды разместили в
этих полостях и, соответственно - на выступах.
Будет ли рабочий проект иметь отверстия в пластине или наоборот - "башенки" -
пока неясно. В случае отверстий можно добиться едва ли не поштучного соединения
электродов и клеток, но зато в случае выступов - у клеток лучше снабжение питательными
веществами. Выбор будет сделан позже.
Но это - далеко не все отличия проекта от конкурирующих работ. Если помните,
другие авторы предлагали транслировать на электроды сигнал прямо с камеры на
лбу. А в этом есть сильный подвох. Дело в мельчайших непроизвольных движениях
глаз, сканирующих пространство даже тогда, когда нам кажется, что мы неподвижно
смотрим в одну точку.
Если напрямую связывать камеру на лбу с имплантатом в сетчатке, это свойство
зрения пропадает, что очень негативно сказывается на восприятии. А ещё - при
такой схеме - зрение полностью зависит от числа электродов в имплантате. А что
можно увидеть, скажем, в ста пикселях?
Паланкер предложил иную схему. Камера на лбу тут также имеется, но она направляет
сигнал в носимый микрокомпьютер (размером с бумажник), который переводит
видимое изображение в набор коротких импульсов инфракрасного светодиодно-жидкокристаллического
дисплея, с числом точек в несколько тысяч.
Этот поток импульсов отражается от наклонного стекла, расположенного перед глазами,
проходит через хрусталик и попадает на фоточувствительные диоды имплантата
в сетчатке глаза. Те усиливают сигнал, используя энергию от крошечной солнечной
батареи, имплантированной в радужку.
Эти инфракрасные лучи человек не видит. А вот результат воздействия электрических
импульсов на клетки сетчатки - воспринимает как изображение.
При этом сам имплантат имеет размер в половину рисового зерна (3 миллиметра)
и покрывает 10 градусов поля зрения - его центр.
И тут главный фокус: благодаря стеклу у человека сохраняется естественное восприятие
сцены перед ним (теми живыми фоторецепторами, что ещё работают в глазу),
особенно - периферийным зрением, наряду с наложенным "дополнением" от камеры.
И мелкие быстрые движения глаз сохраняют свою важность - ведь человек сам смотрит
как на пейзаж (напрямую), так и на то электронное изображение (пусть инфракрасное).
Положение этого изображения на сетчатке (и внедрённой решётке электродов, соответственно)
меняется вместе с движением глазного яблока. Таким образом, электронный
прибор максимально использует оставшиеся естественные способности глаза по обработке
зрительной информации.
Сейчас авторы проекта имплантируют устройство крысам, а вскоре должны перейти
к опытам на свиньях. Про опыты на людях исследователи пока ничего не говорят.
Выпуск листа на новом месте: 683
