MOSCÚ, 13 de mayo - RIA Novosti. Biotecnólogos estadounidenses han creado un prototipo de retina artificial que no requiere un sistema de alimentación y funciona con energía infrarroja, según un artículo publicado en la revista Nature Photonics.

Hoy, científicos de todo el mundo están desarrollando varios tipos de implantes que, en teoría, pueden restaurar la visión perdida como resultado de enfermedades degenerativas o accidentes. En algunos casos, los biólogos están experimentando con células madre o células retinales individuales; en otros, los físicos y los biotecnólogos están tratando de adaptar varios dispositivos electrónicos para que funcionen con los cerebros humanos y animales. Sin embargo, hasta ahora no se ha logrado ningún progreso significativo en ningún estudio.

ojo cibernético

Un grupo de científicos dirigido por James Loudin (James Loudin) de la Universidad de Stanford (EE. UU.) ha desarrollado un nuevo tipo de retina electrónica, adecuada para imágenes de alta definición y que no requiere una fuente de alimentación externa, el principal obstáculo para el desarrollo de este tipo. tecnologías

“Nuestro invento funciona de manera muy similar a los paneles solares en el techo de una casa, convirtiendo la luz en impulsos eléctricos. Sin embargo, en nuestro caso, la electricidad no alimenta el “refrigerador”, sino que se envía a la retina como una señal, ", dijo uno de los miembros del grupo Daniel Palanker (Daniel Palanker).

La retina artificial del ojo de Laudin y sus colegas es un conjunto de muchas placas microscópicas de silicio individuales que combinan un elemento sensible a la luz, un generador de electricidad y algunos otros elementos. Esta retina requiere lentes especiales con una cámara de video incorporada y una computadora de bolsillo que procesa la imagen.

Este dispositivo funciona de la siguiente manera: una cámara con gafas convierte continuamente la luz en porciones de impulsos electrónicos. Cada "marco" se procesa en una computadora, se divide en dos mitades, para los ojos derecho e izquierdo, y se transmite a los emisores de infrarrojos en la parte posterior de las lentes de las gafas. Los anteojos emiten pulsos cortos de radiación infrarroja, que activa fotosensores en la retina del ojo y hace que transmitan impulsos eléctricos que codifican una imagen a las neuronas ópticas.

"Los implantes modernos son muy voluminosos y las operaciones para insertar todos los componentes necesarios en el ojo son increíblemente difíciles. En nuestro caso, el cirujano solo necesita hacer una pequeña incisión en la retina y sumergir el componente fotosensible del dispositivo debajo de ella, Palanker continuó.

visión infrarroja

Según los científicos, el uso de luz infrarroja para transmitir información tiene dos ventajas clave. En primer lugar, le permite aumentar la potencia del pulso a muy valores altos sin causar dolor en las células vivas de la retina, ya que las células fotosensibles no responden a radiación infrarroja. En segundo lugar, la alta potencia de radiación mejora la claridad de la imagen en los casos en que las neuronas debajo de la retina están gravemente dañadas o responden mal a los impulsos eléctricos.

Los científicos probaron el trabajo de su invento en las retinas del ojo y tejido nervioso tomado de ratas videntes y ciegas. En este experimento, colocaron fotocélulas en pequeños fragmentos de la retina, conectaron electrodos a las neuronas cercanas y observaron si comenzaban a emitir impulsos cuando se exponían a la luz visible e infrarroja.

Científicos estadounidenses estudiaron el código neural de las células de la retina en ratones. El resultado fueron los datos obtenidos, que se utilizaron para crear un ojo artificial. Este dispositivo tiene el potencial de devolver la vista a ratones ciegos. Otros científicos han estudiado el código retinal en monos de la misma manera. Resultó que su estructura y actividad neuronal es en muchos aspectos similar a la humana. Los autores de estos trabajos creen que estos estudios ayudarán a crear un dispositivo que, después de las pruebas, ayudará a las personas ciegas a recuperar la vista.

Es importante señalar que, tal como lo concibieron los investigadores, la retina artificial ayudará a ver no solo los contornos de los objetos, sino que incluso puede restaurar la función visual en su totalidad. Es decir, un paciente previamente ciego podrá distinguir pequeños detalles, por ejemplo, los rasgos faciales del interlocutor. Por el momento, el estudio se encuentra en etapa de aprobación sobre animales que pueden distinguir entre objetos en movimiento.

La tarea principal de los científicos en esta etapa es crear gafas o un dispositivo en forma de aro, con la ayuda de la cual se recogerá la luz externa y se convertirá en un código electrónico específico. Además, este código en las estructuras centrales del cerebro se transformará en una imagen.

Las enfermedades de la retina son la causa número uno de ceguera. Sin embargo, incluso si todas las células fotorreceptoras están dañadas, el nervio óptico no suele estar dañado, es decir, se conserva la vía de salida del nervio. globo ocular. Las prótesis modernas aprovechan este hecho. En este caso, se implantan electrodos especiales en el ojo de una persona ciega. Estimulan las células nerviosas ganglionares. Pero al mismo tiempo, solo puede obtener una imagen borrosa, es decir, una persona percibe los contornos de los objetos.

Otro método alternativo El tratamiento de la ceguera es la estimulación de las células a través de proteínas sensibles a la luz. Se inyectan en la retina del globo ocular usando métodos terapia de genes. Cuando se inyectan en la retina, estas proteínas estimulan simultáneamente un gran número de celulas ganglionares.

Sin embargo, para formar una imagen clara, es necesario establecer el código de la retina, es decir, la forma que utiliza la naturaleza para convertir la luz en un impulso eléctrico. De lo contrario, los impulsos generados serán incomprensibles para las neuronas del cerebro y la construcción de una imagen clara será imposible.

Al principio, los científicos intentaron obtener este código utilizando objetos simples, que incluyen, por ejemplo, formas geométricas. Sheila Nirenberg, doctora en neurociencias, sugirió que el código de la retina debería ser del mismo tipo tanto para construir formas geométricas simples como para crear pinturas más complejas (rostros humanos, paisajes). Mientras trabajaba en esta teoría, S. Nirenberg se dio cuenta de que el mismo tipo de hipótesis es adecuada para las prótesis de retina. Realizó un experimento simple en el que un miniproyector, controlado por un código descifrado, enviaba impulsos eléctricos a las células ganglionares de ratones. En estas células usando técnicas Ingeniería genética proteínas fotosensibles fueron pre-incrustadas.

Al analizar los resultados obtenidos en una serie de experimentos, se encontró que la calidad de visión de un ratón implantado con este proyector no difiere de la función visual de un roedor sano.

Este tecnología innovadora da esperanza a un gran número de pacientes con discapacidad visual. Debido al hecho de que terapia de drogas ayuda solo a una pequeña parte de las personas ciegas, una prótesis de retina tendrá una gran demanda en la práctica clínica.

28 de abril de 2015

Investigadores escuela de Medicina La Universidad de Stanford, dirigida por el profesor Daniel Palanker, ha desarrollado un implante de retina inalámbrico que, en el futuro, restaurará la visión cinco veces mejor que los dispositivos existentes. Los resultados de los estudios en ratas indican la capacidad del nuevo dispositivo para proporcionar una visión funcional a los pacientes con enfermedades degenerativas retina, como la retinitis pigmentosa y la degeneración macular.

Las enfermedades degenerativas de la retina conducen a la destrucción de los fotorreceptores, los llamados conos y bastones, mientras que el resto del ojo, por regla general, se conserva en buenas condiciones. El nuevo implante utiliza la excitabilidad eléctrica de una de las poblaciones de neuronas retinianas conocidas como células bipolares. Estas células procesan las señales de los fotorreceptores antes de que lleguen a las células ganglionares, que envían información visual al cerebro. Al estimular las células bipolares, el implante aprovecha las importantes propiedades naturales del sistema neural de la retina, lo que da como resultado imágenes más detalladas que los dispositivos que no se dirigen a estas células.

El implante, hecho de óxido de silicio, consta de píxeles fotoeléctricos hexagonales que convierten la luz emitida por unas gafas especiales que se colocan en los ojos del paciente en electricidad. Estos impulsos eléctricos estimulan las células bipolares de la retina, iniciando una cascada neuronal que llega al cerebro.

espalda

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Retina optoelectrónica sin pilas

Para crear una retina artificial, los científicos decidieron utilizar fotocélulas activadas por infrarrojos, lo que permitió combinar la transmisión de información visual con la transmisión de energía y simplificar el dispositivo de implante.

Científicos alemanes han desarrollado una retina artificial implantable.

En el experimento, dejó parcialmente ciegos a tres pacientes como resultado de distrofia retiniana hereditaria, escribe The Daily Telegraph.

Los dispositivos anteriores con un propósito similar eran una cámara y un procesador que usas como anteojos. El implante biónico, desarrollado por Retinal Implant AG en cooperación con el Instituto de Investigación Oftalmológica de la Universidad de Tübingen, se implanta directamente debajo de la retina y utiliza el aparato óptico del ojo. Por lo tanto, es un reemplazo directo de los receptores de luz perdidos.

La imagen en blanco y negro obtenida con la ayuda de la retina biónica es estable y corresponde a los movimientos del globo ocular.

Tres pacientes que participaron en las pruebas del dispositivo pudieron distinguir las formas de los objetos unos días después de la operación. Uno de ellos mejoró tanto su visión que comenzó a caminar libremente por la habitación, acercarse a las personas, ver las manecillas del reloj y distinguir entre siete tonos de gris.

Según el profesor Eberhart Zrenner, jefe de oftalmología Universidad de Tübingen, las pruebas piloto han demostrado de manera convincente que el implante puede restaurar la visión de las personas con distrofia retiniana en suficiente La vida cotidiana volumen. Cierto, señaló, la introducción del dispositivo en Práctica clinica llevará mucho tiempo.

La retina biónica, según los científicos, puede usarse para la ceguera causada por la retinosis pigmentaria y otras enfermedades degenerativas de la retina.

Los sistemas de sensores biológicos son compactos y energéticamente eficientes. Al intentar crear un análogo semiconductor de la retina, se enfrentan a grandes dificultades: con un grosor de 0,5 mm, pesa 0,5 g y consume 0,1 W.

Arroz. ocho.

retina biológica.

Las células de la retina están conectadas por una red compleja de conexiones de señalización excitatorias (flechas de un lado), inhibidoras (líneas con círculos al final) y bidireccionales (flechas de dos lados). Este circuito genera respuestas selectivas de los cuatro tipos de células ganglionares (abajo), que constituyen el 90 % de las fibras. nervio óptico transmitir información visual al cerebro. Células ganglionares de inclusión "On". (verde) y apague "Apagado". (rojo) se excitan cuando la intensidad de la luz local es mayor o menor que en el área circundante. Aumento de las células ganglionares "Inc." (azul) y descendiendo "Dec." (amarillo) generan pulsos cuando la intensidad de la luz aumenta o disminuye.

Arroz. ocho.

retina de silicio

En los modelos electrónicos de la retina, los axones y las dendritas de cada célula (conexiones de señales) se sustituyen por conductores metálicos y las sinapsis por transistores. Las permutaciones de esta configuración crean interacciones excitatorias e inhibitorias que imitan las conexiones entre las neuronas. Los transistores y los conductores que los conectan se encuentran en chips de silicio, varias secciones que desempeñan el papel de diferentes capas de células. Las grandes áreas verdes son fototransistores que convierten la luz en señales eléctricas.

Sobre el Etapa temprana Durante el desarrollo del ojo, las células ganglionares de la retina envían sus axones al tectum, el centro sensorial del mesencéfalo. Los axones de la retina son guiados por trazas químicas liberadas por células tectales adyacentes que se activan simultáneamente; como resultado, las neuronas que disparan simultáneamente están conectadas. Como resultado, se forma un mapa de la ubicación espacial de los sensores retinales en el mesencéfalo.

Para modelar este proceso, se utilizan cables programables para crear conexiones autoorganizadas entre las células del chip retinal Visio1 (arriba) y el chip tectum artificial Neurotrope1 (abajo). Los pulsos de salida eléctrica se dirigen desde las células ganglionares artificiales a las células tectum a través de un chip de memoria (RAM) (centro). El chip retinal emite la dirección de la neurona excitada y el chip tectum reproduce el impulso de excitación en la ubicación adecuada. En nuestro ejemplo, el tectum artificial le indica a la RAM que intercambie las direcciones 1 y 2. Como resultado, la terminación del axón de la célula ganglionar 2 se mueve a la célula tectum 1, desplazando el axón de la célula ganglionar 3. Los axones responden a un gradiente de energía eléctrica. carga liberada por la célula excitada, lo que ayuda a redirigir las conexiones.

Después de disparos múltiples de bloques de neuronas retinales artificiales adyacentes (triángulos resaltados, arriba a la izquierda) puntos finales los axones de las células del tectum, que inicialmente estaban dispersos (triángulos resaltados en la parte inferior izquierda), convergen y forman bandas más uniformes (abajo a la derecha).

Arroz. 9.

Se implantaron con éxito retinas artificiales "Argus" (Argus) en seis pacientes ciegos, lo que les permitió volver a ver la luz y detectar el movimiento de grandes objetos brillantes.

Arroz. diez.

Este sistema combina un pequeño implante ocular electrónico con una cámara de video montada en anteojos oscuros. Una rejilla de 16 electrodos en el implante se conecta a la retina, actuando sobre los fotorreceptores. La señal que reciben viaja un largo camino desde la cámara: a través del procesador de procesamiento, luego a través del canal de radio hasta el receptor ubicado detrás de la oreja, y luego a través de los cables que se extienden debajo de la piel hasta el implante ocular. El sistema solo puede funcionar con pacientes que tienen fotorreceptores retinianos debilitados y dañados, pero un nervio óptico sano.

Se están haciendo intentos para reproducir las estructuras neurales y sus funciones. Esto se denomina transformación (mapeo) de conexiones neuronales en circuitos electrónicos de silicio. Por lo tanto, los microchips neuromórficos se crean transformando la retina, el tejido nervioso de 0,5 mm de espesor que cubre pared posterior ojos. La retina está formada por cinco capas especializadas. células nerviosas y realiza el preprocesamiento de imágenes visuales (imágenes), extrayendo información útil sin dirigirse al cerebro y sin malgastar sus recursos.

La retina de silicio detecta los movimientos de la cabeza humana. Cuatro tipos de células ganglionares de silicio en el chip Visio1 imitan las células reales de la retina y realizan un preprocesamiento visual. Algunas células responden a áreas oscuras (rojas), otras a áreas claras (verdes). El tercer y cuarto conjunto de celdas rastrean los límites frontal (amarillo) y posterior (azul) de los objetos. Las imágenes en blanco y negro producidas por la decodificación muestran lo que vería una persona ciega con un implante de retina neuromórfico.