Миллионы людей теряют зрение из-за дегенеративных заболеваний глаз. Одно только генетическое заболевание пигментного ретинита поражает 1 из 4000 человек во всем мире.
Сегодня существуют технологии, позволяющие предложить людям с этим синдромом частичное зрение. Argus II, первый в мире протез сетчатки, воспроизводит некоторые функции части глаза, важные для зрения, чтобы пользователи могли воспринимать движение и формы.
В то время как протезы сетчатки все еще находятся в зачаточном состоянии, для сотен пользователей по всему миру «бионический глаз» обогащает их повседневное взаимодействие с миром. Например, видя очертания объектов, они могут перемещаться в незнакомой среде с большей безопасностью.
Это только начало. Исследователи стремятся улучшить технологию в будущем, имея в виду амбициозную цель.
«Наша цель сейчас — разработать системы, которые действительно имитируют сложность сетчатки», — сказал Джанлука Лацци, проректор-профессор офтальмологии и электротехники Медицинской школы им. Кека и инженерной школы Витерби.
Он и его коллеги из USC достигли прогресса в двух недавних исследованиях, в которых использовалась продвинутая компьютерная модель того, что происходит в сетчатке. Их экспериментально подтвержденная модель воспроизводит формы и положения миллионов нервных клеток в глазу, а также связанные с ними физические и сетевые свойства.
«То, что мы даже не могли видеть раньше, теперь мы можем моделировать», — сказал Лацци, который также является профессором инженерии Фреда Х. Коула и директором Института технологий и медицинских систем Университета Южной Калифорнии. «Мы можем имитировать поведение нейронных систем, чтобы по-настоящему понять, почему нейронная система делает то, что делает».
Сосредоточившись на моделях нервных клеток, которые передают визуальную информацию от глаза к мозгу, исследователи определили способы потенциально повысить четкость и предоставить цветовое зрение будущим протезам сетчатки.
Глаз, бионический и прочее
Чтобы понять, как компьютерная модель может улучшить бионический глаз, полезно немного узнать о том, как происходит зрение и как работает протез.
Когда свет попадает в здоровый глаз, линза фокусирует его на сетчатке, в задней части глаза. Клетки, называемые фоторецепторами, преобразуют свет в электрические импульсы, которые обрабатываются другими клетками сетчатки. После обработки сигналы передаются ганглиозным клеткам , которые доставляют информацию от сетчатки к мозгу через длинные хвосты, называемые аксонами, которые объединяются вместе, образуя зрительный нерв.
Фоторецепторы и процессинговые клетки отмирают при дегенеративных заболеваниях глаз . Ганглиозные клетки сетчатки обычно дольше остаются функциональными; Argus II передает сигналы непосредственно этим клеткам.
«В этих неблагоприятных условиях больше нет хорошего набора входов для ганглиозной клетки», — сказал Лацци. «Как инженеры, мы спрашиваем, как мы можем обеспечить этот электрический ввод».
Пациенту устанавливается крошечный глазной имплантат с набором электродов. Эти электроды активируются дистанционно, когда сигнал передается от пары специальных очков, на которых установлена камера. Образцы света, обнаруживаемые камерой, определяют, какие ганглиозные клетки сетчатки активируются электродами, посылая сигнал в мозг, который приводит к восприятию черно-белого изображения, состоящего из 60 точек.
Компьютерная модель воплощает в жизнь новые достижения
При определенных условиях электрод в имплантате будет случайно стимулировать аксоны клеток, соседствующих с его мишенью. Для пользователя бионического глаза такая нецелевая стимуляция аксонов приводит к восприятию удлиненной формы вместо точки. В исследовании, опубликованном в IEEE Transactions по нейронным системам и реабилитационной инженерии , Лацци и его коллеги развернули компьютерную модель для решения этой проблемы.
«Вы хотите активировать эту клетку, но не соседний аксон», — сказал Лацци. «Поэтому мы попытались разработать форму волны электростимуляции, которая более точно нацелена на клетку».
Исследователи использовали модели двух подтипов ганглиозных клеток сетчатки на уровне отдельных клеток, а также в огромных сетях. Они идентифицировали паттерн из коротких импульсов, которые преимущественно нацелены на клеточные тела, с меньшей активацией аксонов вне мишени.
Другое недавнее исследование, опубликованное в журнале Scientific Reports, применило ту же систему компьютерного моделирования к тем же двум подтипам клеток, чтобы выяснить, как кодировать цвет.
Это исследование основано на более ранних исследованиях, показывающих, что люди, использующие Argus II, воспринимают изменения цвета при изменении частоты электрического сигнала — количества повторений сигнала в течение заданной продолжительности. Используя эту модель, Лацци и его коллеги разработали стратегию настройки частоты сигнала для создания восприятия синего цвета.
Помимо возможности добавления цветового зрения к бионическому глазу, кодирование с помощью оттенков может быть объединено с искусственным интеллектом в будущих достижениях, основанных на этой системе, чтобы выделялись особенно важные элементы в окружении человека, такие как лица или дверные проемы.
«Дорога длинная, но мы идем в правильном направлении», — сказал Лацци. «Мы можем наделить эти протезы интеллектом, а знания — силой».