Бионический глаз вживается в образ электродами

Создавая 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 (Daniel Palanker) 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.

«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.