Усовершенствованная компьютерная модель позволяет усовершенствовать технологию “бионического глаза”

Исследователи разработали экспериментально подтвержденную усовершенствованную компьютерную модель, воспроизводящую формы и расположение миллионов нервных клеток в глазу, а также связанные с ними физические и сетевые свойства. Сосредоточив внимание на моделях нервных клеток, передающих зрительную информацию от глаза к мозгу, исследователи определили пути потенциального повышения четкости и обеспечения цветового зрения в будущих протезах сетчатки.

Исследователи из Медицинской школы Кек при Университете Южной Калифорнии разрабатывают сигналы, которые могут придать цветовое зрение и улучшить четкость протезам для слепых.

Миллионы людей сталкиваются с потерей зрения из-за дегенеративных заболеваний глаз. Одно только генетическое заболевание – пигментный ретинит – поражает каждого четвертого человека в мире.

Сегодня существует технология, позволяющая частично вернуть зрение людям с этим синдромом. Argus II, первый в мире протез сетчатки, воспроизводит некоторые функции части глаза, необходимой для зрения, что позволяет пользователям воспринимать движения и формы.

Несмотря на то, что протезирование сетчатки находится в стадии становления, для сотен пользователей по всему миру "бионический глаз" обогащает их повседневное взаимодействие с миром. Например, видение контуров предметов позволяет им более безопасно передвигаться в незнакомой обстановке.

И это только начало. Исследователи стремятся к дальнейшему совершенствованию технологии, ставя перед собой амбициозную цель.

Джанлука Лацци, доктор философии. Credit: Gianluca Lazzi

"Сейчас наша цель – разработать системы, действительно имитирующие сложность сетчатки", – говорит Джанлука Лацци, проректор по офтальмологии и электротехнике в Медицинской школе Кек при Университете Южной Калифорнии и Школе инженерии Витерби при Университете Южной Калифорнии.

Он и его коллеги из Университета Южной Калифорнии достигли прогресса в паре недавних исследований с использованием усовершенствованной компьютерной модели происходящего в сетчатке глаза. Их экспериментально подтвержденная модель воспроизводит формы и расположение миллионов нервных клеток в глазу, а также связанные с ними физические и сетевые свойства.

"То, что раньше мы не могли даже увидеть, теперь мы можем смоделировать", – говорит Лацци, который также является профессором инженерных наук Фредом Х. Коулом и директором Института технологий и медицинских систем Университета Южной Калифорнии. "Мы можем имитировать поведение нейронных систем, что позволит нам понять, почему нейронная система делает то, что она делает".

Сконцентрировав внимание на моделях нервных клеток, передающих зрительную информацию от глаза к мозгу, исследователи выявили способы потенциального повышения четкости и обеспечения цветового зрения для будущих протезов сетчатки.

Глаз, бионический и другой

Чтобы понять, как компьютерная модель может улучшить бионический глаз, необходимо немного знать о том, как происходит зрение и как работает протез.

Когда свет попадает в здоровый глаз, хрусталик фокусирует его на сетчатке, расположенной в задней части глаза. Клетки, называемые фоторецепторами, преобразуют свет в электрические импульсы, которые обрабатываются другими клетками сетчатки. После обработки сигналы передаются ганглиозным клеткам, которые передают информацию от сетчатки к мозгу по длинным хвостам, называемым аксонами, которые соединены вместе и составляют зрительный нерв.

При дегенеративных заболеваниях глаз фоторецепторы и обрабатывающие клетки отмирают. Ганглиозные клетки сетчатки, как правило, сохраняют свою функциональность дольше; Argus II передает сигналы непосредственно к ним.

"В этих неблагоприятных условиях больше нет хорошего набора входных сигналов для ганглиозной клетки", – сказал Лацци. "Как инженеры, мы задаемся вопросом, как обеспечить такой электрический вход".

Пациенту устанавливается миниатюрный глазной имплантат с массивом электродов. Эти электроды активируются дистанционно, когда сигнал передается от пары специальных очков, на которых установлена камера. По характеру света, регистрируемого камерой, определяется, какие ганглиозные клетки сетчатки активируются электродами, и в мозг поступает сигнал, который приводит к восприятию черно-белого изображения, состоящего из 60 точек.

Компьютерная модель судит о новых достижениях

При определенных условиях электрод в имплантате будет случайно стимулировать аксоны клеток, расположенных по соседству с его мишенью. Для пользователя бионического глаза такая нецелевая стимуляция аксонов приводит к восприятию вытянутой фигуры вместо точки. В исследовании, опубликованном в журнале IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering, 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 электрической стимуляции, которая бы более точно воздействовала на клетку".

Исследователи использовали модели для двух подтипов ганглиозных клеток сетчатки, как на уровне отдельных клеток, так и в составе огромных сетей. Они выявили схему коротких импульсов, которые преимущественно направлены на клеточные тела, при этом аксоны активируются в меньшей степени.

В другом недавнем исследовании, опубликованном в журнале Scientific Reports, та же система компьютерного моделирования была применена к тем же двум подтипам клеток для изучения способа кодирования цвета.

Это исследование основывается на результатах более ранних исследований, показавших, что люди, использующие прибор Argus II, воспринимают вариации цвета с изменением частоты электрического сигнала – количества повторений сигнала за определенный промежуток времени. Используя эту модель, Лацци и его коллеги разработали стратегию настройки частоты сигнала для создания восприятия синего цвета.

Помимо возможности добавления цветового зрения в бионический глаз, кодирование оттенков может быть объединено с искусственным интеллектом в будущих разработках на основе этой системы, чтобы выделять особенно важные элементы в окружении человека, такие как лица или дверные проемы.

"Это долгий путь, но мы идем в правильном направлении", – сказал Лацци. "Мы можем наделить эти протезы интеллектом, а со знанием приходит сила".

"Цветовая и клеточная избирательность подтипов ганглиозных клеток сетчатки с помощью частотной модуляции электрической стимуляции" Джавад Пакнахад, Кайл Лойзос, Лан Юэ, Марк С. Хумаюн и Джанлука Лацци, 4 марта 2021 г., Scientific Reports . DOI: 10.1038/s41598-021-84437-w

"Целенаправленная стимуляция ганглиозных клеток сетчатки в эпиретинальных протезах: Многомасштабное вычислительное исследование" Джавад Пакнахад, Кайл Лойзос, Марк Хумаюн и Джанлука Лацци, 29 сентября 2020 г., IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering . DOI: 10.1109/TNSRE.2020.3027560

Об исследованиях

Оба исследования были проведены одной и той же исследовательской группой Университета Южной Калифорнии. Первым автором обоих исследований является Джавад Пакнахад (Javad Paknahad), аспирант электротехнического факультета. Другие авторы – Кайл Лойзос и доктор Марк Хумаюн, соавтор изобретения ретинального протеза Argus II.

Исследование Scientific Reports было поддержано Национальным научным фондом (1833288), Национальными институтами здоровья (R21EY028744, U01EB025830) и организацией Research to Prevent Blindness.

Раскрытие информации: Марк Хумаюн, доктор медицины, доктор философии, является одним из изобретателей серии имплантатов Argus и получает роялти.