Przywracanie wzroku od lat należy do tych tematów, które balansują między medycyną, elektroniką i bardzo ostrożnie rozumianą inżynierią człowieka. Dziś nie chodzi już wyłącznie o lepsze soczewki, przeszczepy rogówki czy aparaty wspomagające codzienne funkcjonowanie. Coraz częściej mówimy o układach, które próbują przejąć rolę uszkodzonych elementów oka i przekazać do mózgu sygnał w formie zrozumiałej dla układu nerwowego. Prawdziwy przełom zaczyna się więc tam, gdzie implant nie próbuje mechanicznie zastąpić aparatu fotograficznego, lecz wykorzystuje to, co w uszkodzonej siatkówce nadal działa. Tutaj cali na biało wchodzą specjaliści z Korei Południowej, którzy pochwalili się wyjątkowym projektem, który może kiedyś pomóc osobom z degeneracją siatkówki, a na dodatek pokazuje wzrok jako system, który można nie tylko naprawiać, ale również rozszerzać.
Samo oko “widzi mniej”, niż mogłoby się wydawać
Ludzkie widzenie wydaje się czymś oczywistym. Gdy jednak zaczniemy rozbierać je na części, to zaczniemy dostrzegać w tym zmyśle ogromną złożoność. Światło wpada do oka, przechodzi przez jego przezroczyste struktury i trafia na siatkówkę, czyli cienką warstwę tkanki z tyłu gałki ocznej. Tam właśnie fotoreceptory zamieniają bodźce świetlne na sygnały elektryczne, które następnie przechodzą przez kolejne warstwy komórek nerwowych, aż wreszcie trafiają do mózgu. Problem w tym, że część chorób niszczy właśnie fotoreceptory. Dzieje się tak m.in. w zwyrodnieniach siatkówki, gdzie komórki odpowiedzialne za odbiór światła przestają działać, ale nie oznacza to automatycznie, że cały tor wzrokowy jest bezużyteczny.
Czytaj też: Niemcy chcą dokonać przewrotu w lotnictwie. Podstawa samolotów trafi do muzeum?
Mimo choroby, komórki zwojowe siatkówki, czyli te, które wysyłają informacje dalej do mózgu, mogą pozostawać sprawne w stopniu wystarczającym do stymulacji elektrycznej. Od lat napędza to rozwój protez siatkówki. Starsze systemy, takie jak Argus II, korzystały z kamery w okularach, zewnętrznego procesora i siatki elektrod, która pobudzała pozostałe komórki nerwowe, dając pacjentom bardzo ograniczoną, ale użyteczną formę percepcji światła i kształtów. Koreański projekt idzie jednak inną drogą. Badacze opisali w Nature Electronics cienką sztuczną siatkówkę, którą można przymocować do powierzchni siatkówki od strony ciała szklistego. Jej zadaniem jest wykrywanie bliskiej podczerwieni, a więc promieniowania spoza zwykłego zakresu widzialnego dla ssaków i zamienianie jej na impulsy elektryczne pobudzające komórki zwojowe.
Sztuczna siatkówka z pracy zespołu Won Gi Chunga, Inhei Jeong i Jang-Ung Parka nie jest zwykłym miniaturowym ekranem ani kamerą wciśniętą do oka. Urządzenie składa się z kilku elementów pracujących razem: fototranzystorów czułych na bliską podczerwień, ultracienkiego filtra (grubość 360 nm, czyli 0,00036 mm) przepuszczającego podczerwień i blokującego światło widzialne oraz trójwymiarowych mikroelektrod z ciekłego metalu (około 60 mikrometrów wysokości i 20 mikrometrów średnicy). Te elektrody mają zbliżać się do komórek zwojowych bez tak agresywnego nacisku mechanicznego, jaki mogłyby generować sztywniejsze struktury.
Czytaj też: Klimatyzacja może dostać nowego rywala. Wystarczy rozciągać odpowiedni metal, aby chłodzić
Najbardziej intrygujący element polega na rozdzieleniu dwóch ścieżek. Światło widzialne może nadal przechodzić przez miejsca bez filtra i pobudzać naturalne fotoreceptory, jeśli pacjent zachował resztkowe widzenie. Bliska podczerwień trafia z kolei do fototranzystorów, które generują sygnał elektryczny i przekazują go przez elektrody do komórek zwojowych. W teorii oznacza to, że implant nie musi “przykrywać” pozostałego naturalnego wzroku, tylko może dodać do niego osobny kanał informacji, a więc wspomniany w tytule dodatkowy zmysł.
Dlaczego akurat podczerwień?
Bliska podczerwień leży tuż za czerwonym końcem widma widzialnego. Człowiek naturalnie jej nie widzi, ale wykorzystujemy ją w noktowizji, czujnikach, komunikacji, obrazowaniu medycznym i systemach śledzenia. W praktyce jest to rodzaj informacji, który istnieje wokół nas, ale pozostaje dla oka biologicznego niewidoczny bez dodatkowego sprzętu. Właśnie zaczyna się różnica między leczeniem a rozszerzaniem percepcji. Gdyby implant tylko zamieniał zwykłe światło na sygnał elektryczny, byłby kolejną protezą dla osób z uszkodzonymi fotoreceptorami. Tymczasem nowa konstrukcja próbuje zrobić coś bardziej przewrotnego: wykorzystać sztuczny element jako przetwornik dla promieniowania, którego oko ssaka normalnie nie odbiera.
Badacze sprawdzili reakcje zarówno w tkankach siatkówki, jak i u żywych myszy, w tym myszy rd1, czyli modelu degeneracji fotoreceptorów. W eksperymentach implantowane zwierzęta reagowały na bodźce z bliskiej podczerwieni, a zapisy z kory wzrokowej sugerowały, że sygnał przechodził z oka do mózgu. Nie należy jednak mylić tego z gotowym “widzeniem nocnym” dla ludzi. Myszy były badane w kontrolowanych warunkach, układ miał niewielką liczbę pikseli, a od rejestracji reakcji neuronalnej do użytecznej percepcji świata przez człowieka prowadzi długa droga. Trzeba jeszcze odpowiedzieć na pytania o bezpieczeństwo długoterminowe, trwałość elektrod, zasilanie, stabilność implantu, chirurgię, indywidualne różnice między pacjentami i przede wszystkim o to, jak mózg człowieka interpretowałby taki nowy kanał bodźców. Co bowiem działoby się np. podczas snu?
To przełom, ale nie cudowny lek na ślepotę
Nowy wynalazek to aktualnie “tylko” dowód koncepcji, a nie produkt medyczny gotowy do zastosowania u pacjentów. Urządzenie testowano ex vivo, czyli na wyizolowanych tkankach, oraz in vivo u myszy. Nie ma jeszcze badań klinicznych na ludziach, nie wiemy, jak wyglądałaby procedura implantacji w ludzkim oku i nie wiemy, jaka jakość “obrazu” byłaby możliwa przy większej matrycy. Jest to zresztą problem całej dziedziny protez wzroku, bo przecież przez ostatnie lata pojawiały się różne podejścia rozwiązania tego problemu.
Czytaj też: Miniaturyzacja znów trafiła na ścianę. Mikroskopijna szczelina zepsuła plany na procesory nowej ery
Implanty epiretinalne, subretinalne, układy z kamerą w okularach, mikrochipy zasilane światłem podczerwonym, a nawet koncepcje omijające oko i stymulujące bezpośrednio korę wzrokową. Dostaliśmy organiczny chip imitujący ludzką siatkówkę oraz mikroekran w oku mający pomagać przy uszkodzonej rogówce, a nawet implanty dostarczające dane wizualne bezpośrednio do siatkówki. Te projekty różnią się konstrukcją i podstawowym podejściem, ale wszystkie pokazują ten sam kierunek: leczenie wzroku coraz częściej oznacza połączenie biologii z elektroniką, a nie tylko klasyczną chirurgię oka.
