211service.com
Avkoda det mänskliga ögat
Konstgjorda näthinnor är redan i mänskliga kliniska prövningar vid University of Southern California, där de har hjälpt blinda patienter att skilja väggar från dörröppningar och till och med titta på fotbollsmatcher, om än som rörelsesuddar. Men för att närma sig normal syn – och möjligen göra det möjligt för människor att läsa – kommer det att krävas enheter som kan leverera elektrisk ström med mycket större kontroll och precision. Ett nytt chip tätt packat med elektroder, utvecklat av forskare vid University of California, Santa Cruz (UCSC), är det första steget i den riktningen.
Testbädd: En array med 512 elektroder (guldcirkel), modellerad efter detektorer som används för att fånga partiklar i högenergifysik, hjälper till att dechiffrera näthinnans neurala kod. Fynden kommer att hjälpa till vid utformningen av framtida retinalproteser.
För närvarande används i forskning, chipet kan stimulera och registrera från enskilda celler i retinala prover. Tekniken kommer att ge insikt i hur näthinnan kodar information och hur man efterliknar den kodningen – lärdomar som kommer att vara avgörande för att utveckla nästa generations näthinneimplantat. Längre på vägen kan någon version av tekniken användas för att skicka visuell information ner i synnerven.
Näthinnan är en mycket sofistikerad enhet för visuell informationsbehandling, säger Alan Litke , en fysiker vid UCSC som tillämpar sin expertis på neurobiologi. För att en mänsklig patient en dag ska närma sig normal synfunktion, såsom läsning, måste du ha en mycket exakt kontrollnivå.
Näthinnan är ett tunt lager av celler på baksidan av ögat; fotoreceptorceller i näthinnan upptäcker ljus och skickar signaler till retinala ganglieceller, som sedan överför signalerna till hjärnan genom synnerven. Vid makuladegeneration och retinitis pigmentosa, två vanligaste orsakerna till blindhet, skadas fotoreceptorceller, men de återstående retinala gangliecellerna lämnas i stort sett intakta. Konstgjorda näthinnor, som är beroende av en extern kamera för att fånga visuell information, består av en processor som översätter denna information till en elektrisk kod som är förståelig för ögats nervceller, och ett chip prickat med små elektroder som överför de elektriska signalerna till näthinnan. ganglionceller.
Multimedia
Se bilder av en konstgjord näthinna och dess effekt på synen.
Litke och hans medarbetare modellerade sitt chip efter kiselmikrochipdetektorer som kantar superkolliderar för att fånga tecken på svårfångade subatomära partiklar med hög energi, som Higgs-bosonen. Med hjälp av vanliga tekniker för tillverkning av integrerade kretsar, specialbyggde forskarna mer än 500 elektroder och förstärkare på en liten glasremsa. Det finns andra kommersiella inspelningssystem med flera elektroder tillgängliga, men teamet på UCSC har verkligen drivit tekniken framåt genom att komma med ett system med förmågan att spela in många fler neurala svar, säger Matt McMahon, en forskare vid Andra synen , företaget baserat i Sylmar, CA, som utvecklar näthinneproteser som används i USC-studien. Second Sight använder Litkes enhet för att informera om utformningen av framtida proteser. Företagets första generationens enhet hade 16 elektroder, andra generationens enhet som för närvarande testas på människor har 60, och en version med 200 elektroder är under utveckling. (Se nästa generations näthinneimplantat.)
Med UCSC-enheten kan forskare kontrollera individuella retinala ganglieceller exakt, en förmåga som kommer att vara nyckeln i nästa generations implantat. En av anledningarna till att de proteser som för närvarande testas på människor har begränsad upplösning är att de stimulerar hundratals celler samtidigt. (Diametern på elektroderna är en storleksordning större än den för de flesta celler.) Elektroderna med fem mikrometer i diameter i Litkes chip är i nivå med storleken på retinala ganglieceller, vilket gör att de kan stimulera individuella celler. Forskarna har tidigare visat att de samtidigt kan styra flera celler med en 60-elektrodsversion av chippet, och de håller på att utveckla en version med 512 elektroder.
Nu när forskare har skapat en teknik med en så exakt kontrollnivå, använder de den för att studera näthinnans språk – ett språk de hoppas att proteser i slutändan ska kunna tala. Även om näthinnan ofta liknas vid en kamera, är den i verkligheten mycket mer komplicerad. Ljussignaler fångas upp och bearbetas i näthinnan; sekvenserna av elektriska skurar som skickas till hjärnan av de olika och distinkta retinala ganglioncelltyperna kodar för olika aspekter av synfältet, såsom rörelse, rumsmönster, färg. Nuvarande proteser använder en förenklad kod och förlorar därmed information, precis som morsekod tappar det talade ordets nyanserade intonationer och ansiktsuttrycken hos talaren. Vilka är mönstren som verkligen efterliknar vad den friska näthinnan skulle göra? frågar Alexander Sher, biträdande forskare vid UCSC som samarbetar med Litke. Om du kommer till den punkt där du kan stimulera enskilda celler, och du vet hur enskilda celler kodar information, kan du simulera det exakt, eller nästan exakt.
Forskare vid Second Sight säger att lärdomarna från dessa studier kommer att vara avgörande för utvecklingen av nästa generations proteser. Men att förvandla UCSC-forskarnas enhet till ett implantat som passar det mänskliga ögat kommer att vara utmanande. Många tekniska överväganden hindrar oss från att hoppa till riktigt små elektroder, säger McMahon. Det kommer att kräva ytterligare utveckling inom elektronik och förpackningar och mjukvara.