Глазной имплантант. Глазной имплантат, выращенный в лаборатории, помог восстановить зрение приматам. Биологические аспекты протезирования сетчатки

Сегодня во всем мире живет примерно 285 миллионов людей с различными нарушениями зрения, из которых порядка 36 миллионов являются полностью слепыми. Чтобы облегчить их жизнь во многих странах сегодня разрабатываются различные методы лечения и технологии, основанные на использовании стволовых клеток, генной терапии и разного рода фармакологического воздействия. Но для людей, потерявших зрение в результате дегенеративных изменений в сетчатке, есть еще одна надежда – разрабатываемые сейчас устройства, получившие название ретинальные протезные системы или проще - бионические глаза (надо отметить, что должны оставаться сохранными некоторые клетки сетчатки).

На данный момент, за 25 лет разработок и длительных испытаний подобные "протезы зрения" имеют уже более 260 людей во всем мире, в России же первая имплантация ретинального протеза была произведена в 2017 году.

Бионический глаз: что это?

Ретинальная протезная система или просто "бионический глаз" - это система искусственного зрения для людей, потерявших зрение в результате болезни, связанной с дегенерацией наружного слоя клеток сетчатки – фоторецепторов, клеток, которые будучи живыми трансформируют свет в понятный мозгу электрический сигнал. Такие устройства имеют различные конструкции, но основной их рабочей частью являются матрицы микро-электродов, которые хирургическим путем помещаются в глаз, в области глазного нерва (который передает импульсы из глаза в мозг) или непосредственно в головной мозг. Эти микро-электроды, в зависимости от вида протеза могут стимулировать либо все еще функционирующую часть сетчатки потерявшего зрение человека, либо зрительный нерв как проводящую структуру или воздействать непосредственно на визуальный отдел коры головного мозга. Стимуляция происходит за счет слабых электрических импульсов, примерно так же, как это происходит при применении кохлеарного имплантата.

Электростимуляция нейронов воспринимается человеком как появление небольших световых пятен, которые носят название «фосфены». Такие фосфены позволяют человеку с бионическим глазом получать видение сформированного устройством (с помощью камеры или без нее) окружающего пространства. На самом деле пока бионический глаз не может обеспечивать нормальное зрение и далек от идеала, а "показывает" набор световых пятен и форм, подобных световой мозаике, которую человек после определенной тренировки может использовать для идентификации окружающей его среды. Но исследования продолжаются и качество таких устройств становится все лучше.

История вопроса

Системы бионического зрения разрабатываются сразу в нескольких странах и эти проекты находятся сегодня в разной стадии готовности. Причем пока считается, что подобные бионические системы пригодны только для людей, потерявших зрение вследствие дегенеративных заболеваний зрения, таких как, например, и . Это связано с тем, что при таких заболеваниях определенная часть клеток сетчатки, как и глазной нерв, остаются неповрежденными.

В настоящее время лишь несколько подобных бионических протезов разрешены к коммерческому использованию регуляторами отрасли здравоохранения разных стран. Это Argus II, разработанный в США, немецкая система RI Alpha AMS, IRIS II из Франции и принципиально отличающаяся от них система VisionCare (США).

Виды имплантатов

По своей конструкции и методам функционирования глазные имплантаты делятся на эпиретинальные (на сетчатке), субретинальные (позади сетчатки), супрахориоидальные (выше сосудистой оболочки), интрасклеральные, на зрительном нерве, а также имплантируемые в мозг.

Эпиретинальные импланты

Argus II ( Second Sight , США)

Система Argus, разработанная американской компанией Second Sight, является самым первым имплантируемым в глаз протезом, который стал применяться для частичного восстановления зрения у людей, страдающих тяжелой формой . Кроме того, этот имплантат тестировался для применения у людей с более часто встречающимся заболеванием - . Argus - эпиретинальная система, т.е. имплантат помещается поверх сетчатки. Впервые это устройство было имплантировано человеку в 2006 году. Сегодня компания использует вторую версию этого протеза - Argus II, который уже имеет разрешение на использование от европейских (2011 г.) и американских (2013 г.) регуляторов отрасли здравоохранения.

Это устройство использует камеру, интегрированную в очки, и имплантат, располагающийся частично вокруг глаза и частично на поверхности сетчатки. Argus II пока что позволяет человеку видеть только тени и очертания фигур. При этом все, что видит камера, преобразуется в электрические сигналы, которые беспроводным образом транслируются в имплантат. В свою очередь имплантированный чип стимулирует клетки сетчатки, заставляя их отправлять полученную информацию в оптический нерв и дальше для обработки в зрительную кору головного мозга.

Сама операция имплантации длится порядка пяти часов и через две недели пациент надевает очки, чтобы начать учиться использовать Argus II.

Стоимость:

Цена устройства - около $150 000, без учета стоимости операции и тренинга для обучения пользованию этой системой.

Обеспечивает возможность ориентироваться в пространстве
Некоторые пользователи получают возможность читать большие буквы и самостоятельно передвигаться в городе.

Недостатки устройства:

В сущности, человек не получает нормального зрения и это связано с тем, что данная версия импланта имеет только 60 электродов, а для того, чтобы видеть хорошо, необходимы примерно 1 млн электродов
Высокая стоимость
Относительно громоздкие очки

IRIS II (Pixium Vision, Франция )

Система бионического зрения IRIS II, предназначенная для людей, потерявших зрение вследствие пигментного ретинита, использует камеру, встроенную в специальные очки, и состоящий из 150 электродов эпиретинальный имплант, устанавливаемый на сетчатке. Технология разработана специально для людей, те же патологические изменения, что и при Argus II.

Принцип работы устройства основан на том, что изображение улавливается камерой, затем попадает в миниатюрный компьютер, подключенный к очкам проводом, где обрабатывается и по беспроводному каналу передается на имплантат. Имплантат с помощью электродов стимулирует зрительный нерв, позволяя пользователю различать черный и белый цвет, а также около десяти оттенков серого цвета. Камера в очках имеет независимые пиксели, которые непрерывно распознают изменения в окружающей среде. В сущности, система работает как матрица клеток-фоторецепторов, которые она заменяет, обеспечивая людей базовыми возможностями зрения, которого без этого устройства они не имели.

Так же, как и в случае с Argus II, по мере использования «зрение» будет постепенно приспосабливаться и через некоторое время человек научится распознать лица людей. Уверенность ученым дают испытания, проведенные на животных, в частности, зрение крыс удавалось восстанавливать до уровня 20/250, т.е. для людей это означает возможность читать текст, написанный крупными буквами, и различать лица.

Стоимость:

Нет данных.

Достоинства бионического глаза:

Более высокая разрешающая способность, чем у Argus II (в 2,5 раза)
После длительного использования позволяет различать лица и читать крупные буквы
Внешняя электроника также позволяет иметь полный контроль над обработкой изображений и даже адаптировать обработку для каждого пациента

Недостатки:

Относительная непродолжительность работы имплантата, что со временем требует его замены
Необходимость внешнего устройства, которое достаточно громоздкое
Высокая стоимость операции и устройства
Не позволяет различать цвета

PRIMA (Pixium Vision, Франция)

Новая система компании Pixium Vision предназначена для помощи людям, страдающим сухой формой при которой нарушается центральное зрение. Как и IRIS, PRIMA работает в паре с очками, которые с помощью камеры снимает окружающую пользователя сцену, передает информацию на компьютер для обработки, который затем передает ее на сам имплантат с помощью инфракрасного излучения (к которому чувствительная электродная решетка). С помощью этого же излучения осуществляется питание ретинального импланта. Этот электронный чип имеет размеры 2 х 2 миллиметра, толщину 30 мкм (а это в три раза тоньше человеческого волоса) и 378 электродов, т.е. в два раза больше, чем IRIS II.

Первая тестовая имплантацию этого устройства пациенту была проведена в конце 2017 года.

Операция по имплантации устройства занимает 90 минут.

Стоимость:

Пока не определена.

Достоинства устройства:

Может использоваться для больных
Имеет большую разрешающую способность, чем IRIS II и Argus II

Недостатки:

Проводная связь с управляющим блоком
Не позволяет различать цвета
Сложная операция, связанная с риском для здоровья
Необходимость внешнего устройства, которое относительно громоздкое

Субретинальный имплант

Alpha IMS (Retina Implant AG, Германия )

Субретинальные импланты располагаются между слоем фоторецепторов и ретинальным пигментным эпителием. Данные устройства стимулируют в первую очередь клетки сетчатки, находящиеся со стороны фоторецепторов, что, как полагают разработчики, должно формировать более естественный поток импульсов в головной мозг. Именно такой имплантат разработала немецкая компания Retina Implant, который уже имеет официальное разрешение европейских регулирующих органов на его применение. Имплантат Alpha AMS предназначен для людей, страдающих от , и работает с оптическими сигналами, поступающими непосредственно на сетчатку, без применения внешней камеры. Это обеспечивает свободное движение глаз пациента, в то время как, например, больному с Argus II для того, чтобы посмотреть в сторону, нужно повернуть туда голову. Причем окружающие могут даже не заметить, что перед ними человек с бионическим зрением. Правда, для питания устройства требуется вживлять под кожу головы систему, подобную той, что используется при кохлеарной имплантации.

Технология, использованная в устройстве, обеспечивает глаз самым большим количеством электродов по сравнению с аналогичными устройствами. Имплантат представляет собой чип 3х3 мм, содержащий 1600 фотодиодов (пикселей) с фоточувствительным элементом и парным электродом. При попадании света, фотодиод преобразует фотоны в электрический сигнал, который усиливается и воздействует на . Яркость и контрастность изображения регулируется самим пациентом с помощью пульта на батарейках,

Alpha AMS, к сожалению, не может восстановить зрение у пациента (наш глаз имеет примерно 100 миллионов «фоторецепторов-пикселей»), но может несколько повысить способность слабовидящего человека ориентироваться в пространстве и различать крупные контрастные предметы.

Стоимость:

В настоящее время такие устройства имплантируются только в Германии и стоимость устройства обычно возмещается в рамках медицинской страховки. Других данных о стоимости нет.

Достоинства устройства:

Относительно высокая разрешающая способность
Для получения изображения устройство использует оптический аппарат глаза
Обеспечивается возможности узнавать лица людей, очертания фигур, распознавать различные объекты
Простота устройства по сравнению с эпиретинальными системами
Более простая фиксация имплантата из-за ограниченности субретинального пространства и давления на устройство, которое создает пигментный эпителий

Недостатки:

Необходимость внешнего питания, закрепляемого под кожей на голове.
Во время испытаний были зафиксированы отказы устройства, требующие повторной операции
Отсутствие цветового зрения
Ограничение по размеру вследствие небольшого объема субретинального пространства
Возможность повреждения сетчатки из-за выделения тепла имплантатом

Cупрахориоидальный имплантат

Bionic Vision ( Bionic Vision , Австралия)

Еще один вариант бионического импланта, разработанный в Австралии, помещается между (сосудистая оболочка). Такой супрахориоидальный имплант, по мнению разработчиков, обеспечивает большую стабильность устройства, чем субретинальный или эпиретинальный. Он, также, обеспечивает большую безопасность для пациента, поскольку операция имплантации более простая и менее инвазивная. Процедура не затрагивает тканей сетчатки и не требует удаления стекловидного тела из глаза, что снижает вероятность осложнений после операций.

Данный ретинальный протез может принести пользу людям с на столько же сохранной системой передачи информации от сетчатки до мозга, сколько и при использовании предыдущих устройств.

Бионический глаз состоит из небольшой цифровой камеры, закрепленной на очках, внешнего процессора и имплантата (микрочип и стимулирующие электроды). Передача информации на имплантат осуществляется беспроводным способом. На сегодняшний день разработаны три версии устройства: прототип с 44 электродами, вариант с широким полем зрения и 98 электродами, и самый продвинутый с 256 электродами. Размер самого современного имплантата - 5 х 5 мм. В дальнейшем разработчики планируют испытать версию с 1024 электродами, которая представляет собой матрицу из четырех 256-электродных чипов. Это должно позволить пользователю различать лица и читать.

Система использует "умную" обработку сигнала, прежде чем отправлять ее на имплант. Она не просто повышает контрастность, а кодирует объекты в зависимости от того, что находится рядом сними, что позволяет пользователю легче избегать столкновений.

Бионический глаз конвертирует изображение в высококонтрастное представление, часть которого проходит дополнительную обработку. На рисунке ниже эта зона выделена голубым и соответствует зоне области зрения, плохо видимой для бионического глаза. Процессор затем преобразует изображение в параметры электростимуляции, направляемые в электроды. Пациент при этом получает "замыленное" изображение, составленное из световых вспышек.

Область зрения при этом небольшая - не более 30°, поэтому пациенту надо иметь хорошую память, чтобы "собирать" полную картину своего окружения.

Стоимость:

Цена устройства и стоимость операции по его имплантации пока не определены.

Достоинства устройства:

Обеспечивается лучший контроль стимуляции зрительного нерва по сравнению с фотодиодным вариантом за счет предварительной обработки зрительного сигнала
Более безопасная операция имплантации, по сравнению с субретинальным или эпиретинальным методом
Позволяет людям ориентироваться в окружающем пространстве

Недостатки:

Невысокая разрешающая способность
Отсутствие цветового зрения
Необходимость относительно длительной тренировки, чтобы научиться распознавать окружение

Устройство, имплантируемое в мозг (кортикальный имплант)

Orion I (Second Sight, США )

Система Orion I Visual Cortial Prosthesis представляет собой еще одно устройство компании Second Sight и несколько отличается от него по своему принципу работы - оно не использует оптический нерв и всю систему зрения, а напрямую стимулирует зрительную кору головного мозга. Это позволит видеть даже людям, которые потеряли всю функциональность своих глаз. В остальном это устройство представляет собой модифицированную версию Argus II, т.е. состоит из очков с камерой, внешнего процессора и имплантируемого чипа.

Принцип работы устройства заключается в преобразовании изображений, полученных при помощи миниатюрной камеры, закрепленной на очках пациента, в серию электрических импульсов, которые беспроводным образом транслируются в электроды, имплантированные на поверхности зрительной коры головного мозга. Такая система потенциально может восстановить зрение у ослепших людей путем обхода поврежденных сетчатки и зрительного нерва, и прямой стимуляции зрительной области коры головного мозга. Клинические испытания Orion I начаты в феврале 2018 года.

По мнению разработчиков, новое устройство может предоставить пациенту примерно такой же уровень зрения, как Argus II, или, возможно, несколько меньше. Т.е. пользователь сможет отличать свет от темноты и распознавать очертания предметов, но не будет различать цвета.

Стоимость:

Стоимость устройства не определена, поскольку оно находится на стадии тестирования.

Достоинства устройства:

Устройство может помочь людям, страдающим потерей зрения по разным причинам
Обеспечивает возможность человеку видеть свет и ориентироваться
Возможно будет дешевле, чем Argus, так как может применяться у большего числа пациентов

Недостатки:

Риск появлением судорог в результате манипуляции на мозге
Не обеспечивает возможность различать цвета
Использование внешнего вычислительного блока, создающего неудобство при ношении

Новые технологии для бионического зрения

Искусственная сетчатка

Ученые из Итальянского технологического института придумали имплант, который работает как замена поврежденной сетчатки и изготавливается из тонкого слоя проводящего полимера, помещенного в субстрат на основе шелка и покрытого полупроводниковым полимером. Этот полупроводник работает как фотоэлектрический материал, поглощающий фотоны, когда свет попадает в глаз. Когда это происходит, электрический сигнал стимулирует нейрон сетчатки, заполняя таким образом "пробел", оставленный естественными, но поврежденными фоторецепторами глаза.

«Как показали эксперименты на крысах, при освещенности как при сумерках или лучше, реакция животных с имплантатами на свет практически ничем не отличалась от реакции здоровых животных. Тем не менее, нам необходимо дождаться результатов исследований нового материала на людях, чтобы понять может ли этот метод использоваться для лечения людей с » - комментируют разработчики.

Похожую технологию разрабатывают специалисты Оксфордского университета (США). Они создали мягкий синтетический материал, который по своим характеристикам намного ближе к человеческой ткани, из которой состоит сетчатка, чем материалы, применяемые сегодня в глазных имплантатах. Он представляет собой клеточную структуру из натуральных, биоразлагаемых материалов и не содержит инородных тел или живых клеток. Это делает имплантат менее инвазивным, чем механическое устройство, и он с меньшей вероятностью может вызвать негативную реакцию организма.

"Копия" сетчатки состоит из капелек воды, заключенных в оболочку из белков мембраны клеток. Похожие на миниатюрные фотокамеры, такие клетки работают как пиксели, обнаруживая и реагируя на свет, что позволяет создавать изображение в серых тонах. Данный материал может генерировать электрический сигнал, который будет стимулировать нейроны на задней части глаза так же, как и реальная сетчатка.

Пока эта технология протестирована только в лаборатории, поэтому следует дождаться результатов тестирования на людях, чтобы понять насколько эта прорывная разработка эффективна для помощи слабовидящим людям.

Российский опыт

В России системы бионического зрения начали внедряться только в самое последнее время. 30 июня 2017 года устройство Argus II было имплантировано 59-летнему Григорию Ульянову из Челябинска, который более 20 лет назад потерял зрение вследствие Операцию провела международная бригада врачей в Москве, в Научно-клиническом центре оториноларингологии ФМБА, российскую часть команды возглавлял Христо Тахчиди.

Эта операция - совместный проект Фонда поддержки слепоглухих «Со-единение», благотворительного фонда Алишера Усманова «Искусство, наука и спорт», АНО «Лаборатория «Сенсор-Тех», ФГБУ «Научно-клинический центр оториноларингологии ФМБА России» и компании Second Sight.

Операция очень дорогая и пока малодоступная, но по мнению специалистов, со временем удастся включить имплантацию в программы бесплатной высокотехнологичной медицинской помощи.

Как говорит Григорий Ульянов,

Я был потрясен и очень доволен. Я видел контуры окон и дверей, очертания предметов. Только с людьми есть проблема: вижу фигуру человека, но не понимаю, кто это, мужчина или женщина. Я и дочку не сразу узнал. Вижу, кто-то идет. «Папа, это я!» По голосу узнал, что дочка. Говорю: «Вижу тебя, могу подойти!» Очень обрадовался.

Я вижу, но не так, как вы. Я-то вижу по-другому, по черно-белому. Изображение поступает в мозг, мозг его обрабатывает, выдает внешние координаты, и я по ним начинаю ориентироваться. Я уже могу перемещаться по улице, ориентируясь на большие объекты. Я не могу сказать, что иду по слуху или по зрению - по всему вместе.

Опыт применения подобной искусственной радужки уже насчитывает десятки успешных операций, которые прошли с достижением высокого зрения и отличного косметического эффекта. При этом, достижение уникального косметического эффекта становится возможным благодаря тому, что в технологии производства искусственной радужки, применяется индивидуальный подход к подбору цвета имплантата.

Осуществляется это по следующей схеме:

1. Сначала выполняется цифровая фотосьемка здорового парного глаза.
2. Затем проводится компьютерная обработка полученного снимка здоровой радужки.
3. После, изображение распечатывается с использованием специальной полимерной пленки.
4. На конечном этапе, конструкция искусственной радужной оболочки собирается в единый комплекс с искусственным хрусталиком.

Операция имплантации искусственной радужки проводится только квалифицированным хирургом-офтальмологов и относится к области микрохирургии. В отличии от имеющихся обычных имплантатов, искусственная радужка включает гаптическую часть, выполненную в форме диска. Торцевая ее поверхность содержит три дополнительных дугообразных опорных элемента, чьи внутренние поверхности конгруэнтны торцевым. В каждом из этих дугообразных элементов содержится сквозная прорезь, сделанная, в виде соединенных между собой двух дуг. Противоположные углы обеих дуг острые, при этом, у каждого дугообразного элемента имеется установочное отверстие. Применение именно такого изобретения позволяет значительно уменьшить операционные, а также потенциальные послеоперационные осложнения, значительно сокращает время хирургического вмешательства.

Стоит отметить, что для ликвидации косметического дефекта, имплантацию искусственной радужной оболочки можно проводить даже в глаз, полностью лишенный зрения.

Видео пластики радужки глаза

Наши преимущества

«Московская Глазная Клиника» - современное медицинское учреждение, предоставляющее полный спектр профессиональных услуг в области офтальмологии. Клиника имеет в своем распоряжении лучшие образцы современной аппаратуры ведущих мировых производителей.

В Клинике ведут прием ведущие отечественные специалисты, имеющие чрезвычайно широкий практический опыт. Так, в клинике консультирует хирург высшей категории Фоменко Наталия Ивановна . Благодаря высокому профессионализму врачей и применению современных технологий МГК гарантирует наилучший результат лечения и возвращение зрения. Обращаясь в "Московскую Глазную Клинику", вы можете быть уверены в быстрой и точной диагностике и эффективном лечении.

Цены

В Московской Глазной Клинике можно пройти полное диагностическое обследование и получить рекомендации по самым эффективным методам лечения. Комплексное обследование пациента (включающее в себя такие методы как проверка остроты зрения, биомикроскопия, авторефрактометрия, офтальмоскопия с узким зрачком, пневмотонометрия) составляет 3500 рублей.

Стоимость имплантации искусственной радужки при аниридии в МГК составляет 50 000 рублей (за 1 глаз). Иридо-хрусталиковая МИОЛ-Радужка изготавливается индивидуально (после внесения предоплаты, срок изготовления от четырех недель), оплачивается отдельно. Цена имплантата составляет 40 000 рублей.

Впервые в России врачи смогли частично вернуть зрение слепому пациенту. Более двух десятилетий житель Челябинска находился в полной темноте. После того, как ему пересадили бионическую сетчатку глаза, он начал реагировать на свет и распознавать очертания предметов. Специалисты говорят, что после курса реабилитации мужчина сможет воспринимать окружающий мир почти так же, как и до болезни.

Первые робкие шаги Григория Александровича без трости для слепых. 25 лет он передвигался только с ее помощью. Из-за генетического заболевания мужчина почти совсем потерял зрение, но никогда не терял надежду.

«Я подал заявку - выбрали меня», - говорит Григорий Ульянов.

Он стал первым и пока единственным пациентом в России, которому удалось вернуть зрение при помощи электронной системы. Ее называют бионический глаз, хотя, конечно, глаз у пациента остался своим. Система состоит из вживленного датчика, выполняющего роль сетчатки, специальных очков и компьютера. Вмонтированная в очках камера получает изображение, оттуда сигнал идет в портативный компьютер, где переводится в электрические импульсы и отправляется на искусственную сетчатку.

«Ток по микрокабелю входит внутрь глаза, куда имплантирован электронный чип, который находится на поверхности сетчатки. Через этот чип происходит раздражение нервных окончаний зрительного нерва», - рассказывает директор Научно-исследовательского центра офтальмологии ФГБОУ ВО РНИМУ им. Н.И.Пирогова Христо Тахчиди.

Операция по имплантации сетчатки длилась более шести часов. Хирурги работали очень аккуратно, использовали даже специальные инструменты, чтобы не повредить миниатюрный имплантат.

«Через разрез в 5 мм этот имплант вводится в полость глаза. Обратите внимание, все пинцеты с силиконовыми наконечниками специальными, потому что, если вы сожмете кабель, то перекусите волокна», - рассказывает директор Научно-исследовательского центра офтальмологии ФГБОУ ВО РНИМУ им. Н.И.Пирогова Христо Тахчиди.

Сегодня - три недели после операции, Григорий Александрович уже различает предметы, но признается, что не может забыть момент, когда к нему вернулось зрение.

Григорий Александрович пока может только различать очертания предметов. Он видит все в черно-белом свете, а силуэты размыты, как на фотографии с низким качеством изображения. Но это уже не слепота. Со временем контуры предметов станут четкими, и пациент без труда будет ориентироваться в пространстве.

За 25 лет мозг пациента просто забыл, как видеть изображения. Но нервные связи постепенно восстанавливаются. Григорий Александрович быстро осваивает новый аппарат и как ребенок радуется своим пока еще маленьким успехам.

«Мы сегодня как раз говорили о лучших результатах, которых удалось добиться уже человечеству. Скажем, один из пациентов, который исходно был мастером спорта по стрельбе из лука, с пятиметрового расстояния попадает в десятку после того, как был совершенно слепым. Это результат прекрасный», - отметила министр здравоохранения РФ Вероника Скворцова.

В мире всего 30 пациентов с подобной электронной сетчаткой. Но опыт российских специалистов - один из самых успешных, восстановление происходит очень быстро. Не последнюю роль здесь играет настрой самого пациента. Григорий Александрович очень старается, потому что хочет опять пройтись по улицам любимого города, который долгое время был погружен для него в темноту.

Электронные сетчатки перестают быть реквизитом из фантастических фильмов. Над подобными протезами работают сразу в нескольких научных группах и компаниях. По мере проведения экспериментов в пробирках, на животных и даже на людях разработчики таких устройств, можно сказать, тоже обретают зрение. Конструкции постоянно шлифуются. И это даёт надежду незрячим.

Одним из крупнейших начинаний в данной области и, пожалуй, старейшим является проект «Бостонский имплантат сетчатки» (Boston Retinal Implant Project — BRIP). Старт ему был дан ещё в 1980-х, когда конструкция и особенности работы системы искусственного зрения виделись учёным лишь в самых общих чертах. Теперь BRIP обнародовал свой самый свежий вариант протеза. В течение трёх лет создатели намерены испытать его на людях.

Доктор Джозеф Риццо (Joseph Rizzo) и профессор Джон Уайетт (John Wyatt) – основатели BRIP. Вообще же в проекте заняты учёные из Массачусетского глазного госпиталя (Massachusetts Eye and Ear Infirmary), медицинской школы Гарварда (Harvard Medical School), лаборатории электроники Массачусетского технологического института (Research Laboratory of Electronics) и лаборатории нанотехнологий Корнелла (Cornell Nanofabrication Laboratory) (фото Boston Retinal Implant Project).

Вкратце всё выглядит просто: миниатюрная камера на очках по беспроводному каналу транслирует сигнал на крошечный чип, установленный на глазном яблоке. Чип переводит эту информацию в набор слабеньких электрических сигналов, посылаемых на решётку из электродов, которые внедрены в толщу сетчатки. Они стимулируют нервные клетки, и человек обретает зрение.

Поиски наилучшего варианта такой схемы ведутся не один год, и не только в BRIP. Выбрали её среди прочих схем, посчитав оптимальным техническим способом восстановления зрения, наиболее пригодным к скорому внедрению.

В раннем проекте BRIP приёмная катушка располагалась сбоку глазного яблока, чип, обрабатывающий сигнал, – сверху, а решётка из электродов – в задней части сетчатки (на верхнем рисунке она не видна, но показана на схеме ниже). На верхней врезке – снимок такого чипа. На нижней – макет системы с камерой на очках. Позднее устройство для приёма сигналов от камеры поменяло дислокацию. Об этом мы ещё скажем отдельно (иллюстрации Boston Retinal Implant Project).

Есть несколько вариантов доставки изображения с камеры к месту назначения. Самый соблазнительный в плане эффекта – подключение электрических контактов напрямую к коре головного мозга. Но он же и самый рискованный для здоровья. Другой ход — подсоединение набора электродов к зрительному нерву, на его пути от глаза мозгу. Но он требует виртуозной хирургической операции.

В то же время, по словам учёных из проекта BRIP, наиболее распространённые заболевания, приводящие к потере зрения, — это возрастная макулярная дегенерация и пигментоз. При них отказывают светочувствительные клетки в сетчатке. Но её биполярные и ганглионарные «ячейки», передающие сигнал от фоторецепторов в сеть нервных волокон внутри самого глаза, а уже через них — в глазной нерв, остаются функциональными. Почему бы не попробовать подавать сигналы на эти промежуточные клетки?

Одним из важных вопросов является место имплантации электродов. В глазном яблоке палочки и колбочки расположены дальше от стекловидного тела и от хрусталика, нежели нервные клетки. Соответственно, если мы хотим добраться до них с внешней стороны глаза, причём со стороны его задней стенки, нам нужно преодолеть больше слоёв, а это может привести к сильному повреждению ретины.

Так пытались действовать в прежних проектах. Авторы же нового имплантата говорят: для нормальной его работы достаточно расположить электроды (из оксида иридия, к слову) с внешней стороны глаза. Точнее — в слое, лежащем непосредственно под сетчаткой. Так снижается риск повреждения и уменьшается хирургическое вмешательство при установке прибора.

Последовательность ключевых оболочек глаза и два способа размещения стимулирующего чипа с электродами – в глубине глазного яблока, над сетчаткой (1) или ближе к его внешней поверхности, фактически под сетчаткой (2). Обратите внимание на то, что свет идёт сверху (иллюстрация Boston Retinal Implant Project).

Второе усовершенствование команды из Бостона – это чип, обрабатывающий сигнал. Он должен крепиться на поверхности глазного яблока, но при этом внутри глазной впадины, так что снаружи виден не будет. В новом проекте BRIP чип этот укрыт в герметичном титановом корпусе.

Это должно снизить негативное воздействие имплантата на организм. Не менее важно, что сократится и разрушительное воздействие среды тела на сам имплантат. Учёные рассчитывают, что прибор «в новом дизайне» сможет работать внутри человека безотказно как минимум десяток лет.

Способ передачи на протез полезного сигнала и электропитания тоже оказался скорректирован. В новом приборе за это отвечает металлическое кольцо, внедрённое в склеру вокруг радужки (смотрите снимок под заголовком).

Фактически же оно состоит из двух концентрических колец-антенн. Одно из них отвечает за беспроводный приём импульсов питания схемы, а второе — за приём картинки. Соответственно, специальные очки с передающими антеннами в оправе должны поставлять имплантату и силовой, и информационный потоки.

Экспериментальный прибор BRIP обладает всего 15 каналами — он может транслировать на сетчатку 15 пикселей. Это давно уже не рекорд. Но пока для участников проекта важно проверить работоспособность схемы. К тому же, по их словам, после тестов на добровольцах можно будет улучшить алгоритм переработки сигнала.

Когда станет ясно, что именно и в каком виде воспринимают слепые при подаче импульсов тока на решётку, оптимизация картинки поможет передать «больше смысла» в тех же самых точках. Далее и число контактов можно будет нарастить на порядок, а то и на два.

О своём проекте BRIP детально отчитался в статье в IEEE Transactions on Biomedical Engineering. На снимке – модель нового имплантата. Хорошо виден микрочип в изолирующем корпусе (фото Shawn Kelly).

Пока новый имплантат протестировали в течение 10 месяцев на свиньях. Цель испытания заключалась не в проверке возможности восстановления зрения, а в испытании схемы на биологическую совместимость: не вызывает ли она воспаления и так далее. Проверка новинки на людях — следующая в плане.

А в том, что в какой-то форме зрение можно восстановить при помощи подобных электродов, американцы уверены. Около десятилетия назад та же команда BRIP проводила эксперименты на слепых добровольцах без всяких чипов.

К светочувствительной оболочке глаза временно подсоединяли набор электродов и подавали на них слабое напряжение. Испытуемые рапортовали о появлении цепочки визуальных пятен, число которых совпадало с количеством активированных в данный момент времени контактов.

Решётка электродов от BRIP (показана при сильном увеличении), внедрённая в глаз свиньи. Обратите внимание, что чип помещён под сосудистую оболочку глазного яблока – видно, как капилляры проходят поверх чипа (фото Boston Retinal Implant Project).

Другие учёные успели продвинуться по данному пути ещё дальше BRIP. Американская компания Second Sight , тесно сотрудничающая с рядом научных учреждений Калифорнии, применяет в своих разработках похожий подход. Они строят такую цепочку: камера на очках — видеопроцессор, носимый на поясе, — трансмиттер в очках — беспроводная передача сигнала в чип-приёмник внутри человека, а далее — по тонким проводкам в решётку электродов, установленных на сетчатке.

Ныне же в самом разгаре клинические испытания устройства Argus II, в состав которого входит имплантат с 60 стимулирующими электродами. Это тоже далеко от вожделенных нескольких тысяч пикселей, при которых пациенты могли бы уже различать вблизи лица людей и читать. Но лучше, чем ничего: даже возможность выявлять границы света и тени (дверные проёмы, лестницы) или яркие предметы — дорогого стоит.

Искусственную сетчатку от Second Sight уже внедрили 18 добровольцам, один из которых — 68-летний Дин Ллойд (Dean Lloyd) — живёт с ней уже примерно два года. Опыты показывают, что он может точно указать пальцем на яркую точку, появляющуюся в произвольном месте тёмного экрана, ходить по белой линии, нарисованной на тёмном полу, и различать общие контуры предметов.

При этом у него даже возникает различное цветоощущение (всплывают базовые цвета). Не вполне ясно, насколько они согласуются с окраской предъявляемых предметов, но для человека, который 20 лет жил в абсолютной темноте, эти красные, синие и зелёные всполохи — чудо.

Слепой пациент Ллойд тестирует работу второго «Аргуса». На заднем плане – один из исследователей, нейробиолог Мэттью Макмахон (Matthew McMahon). Крошечная камера, передающая картинку для Ллойда, почти незаметно вмонтирована в оправу очков (на переносице). В руках подопытного виден блок видеопроцессора, в котором он сам может настраивать параметры транслируемого сигнала (фото Paul Chinn/The Chronicle).

Тесты «Аргуса», так же как и грядущее испытание на добровольцах малоинвазивного имплантата от BRIP, должны показать, что связка «внешняя видеокамера — искусственная сетчатка» может претендовать на массовый метод избавления людей от страшного недуга. Но в идеале учёные и медики хотят вообще избавиться от внешних составляющих системы. И проекты такого рода тоже существуют.

Оба имплантата объединяет один принцип: искусственные фоторецепторы расположены в самом имплантате и воспринимают свет, прошедший естественным путём, — через хрусталик и стекловидное тело. Позади же фотодетекторов расположены стимулирующие электроды.

Optobionics ещё в 2004-м сообщала в статье в Archives of Ophthalmology о первых успехах своего микрочипа. Компания ухитрилась разместить на двухмиллиметровой пластинке из кремния 5 тысяч фотодетекторов и электродов и имплантировала этот прибор шести пациентам с пигментозом сетчатки. Добровольцы носили чип 18 месяцев.

Основатели Optobionics Винсент и Алан Чоу (Vincent, Alan Chow). Микрочип (чёрный кружок) на поверхности монетки и он же – внедрённый в сетчатку человека. Из-за основного материала, кремния, это опытное устройство носит название Artificial Silicon Retina или ASR. Внизу показано место, куда внедряется ASR. Толщина чипа, кстати, составляет 25 микрометров (фотографии Optobionics, иллюстрация Mike Zang).

Подопытные продемонстрировали некоторое улучшение зрения. А ещё давние тесты доказали, что микрочип не вызывает отторжения и воспаления. Но все детали взаимодействия столь обширного набора контактов и случайно попавших под них нервных клеток ещё только предстояло разобрать.

Увы, позднее компания надолго прекратила свою работу по причинам, с наукой никак не связанным. И лишь сравнительно недавно Optobionics возобновила деятельность, обещая продолжить эксперименты со своим микроскопическим имплантатом.

Как видим, вся эта «гонка биоинженерных вооружений» проходит довольно неспешно. На улучшение найденных решений уходят годы, на проверку их эффективности «в реальном бою» – не меньше. Но миллионам незрячих всё равно, кто именно придёт к финишу первым и получит «призовые» в виде массовых продаж данной техники. Для инвалидов самый ценный приз – возвращённое зрение. Пусть даже с разрешением в несколько десятков пикселей.

Вы способны восхищаться полной Луной на ночном небе, если она вам представится как набор всего из нескольких световых точек, без малейших намёков на детали? Одна из пациенток, проверяющих сейчас сетчатку Argus II, знает истинную цену такой красоты. Луну она не видела 15 лет.

Глаза - самая сложная система в организме. И нейробиологи выясняют до сих пор, каким образом визуальные стимулы могут превращаться в информационные сообщения, воспринимаемые мозгом. При этом данный орган весьма хрупок, а расстройства зрения являются одними из наиболее распространенных среди всех болезней.

Стоит упомянуть, что самыми серьезными неприятностями со зрением являются заболевания ( , пигментный и др.), ведь около четверти пациентов с данными заболеваниями заканчивают полной . И все было бы не так плохо, если бы заболевания сетчатки поддавались лечению, однако любая терапия в таких случаях ограничивается только попытками замедлить болезнь.

Правда, в последнее время, опираясь на успехи нейробиологических технологий, ученые начинают задумываться о восстановлении утраченных в процессе заболеваний сетчатки фоторецепторов, что поможет вернуть зрение. При этом самым очевидным выходом является использование стволовых клеток. И на этой стезе достигнуты впечатляющие успехи. К примеру, таким образом частично вернули зрение слепым мышам и доказали безопасность использования стволовых клеток в человеческой сетчатке.

В то же время, существует и нейрокомпьютерное решение данной проблемы – замена сетчатки электронным протезом. Одно из таких устройств, Argus II, создано компанией SecondSight и уже рекомендовано к широкому применению в США. Клинические испытания данного приспособления прошли успешно, однако у Argus II все еще остается масса неизученных возможностей, коим и посвятила свое исследование рабочая группа из Глазной больницы Мурфилдс (Великобритания), под руководством проф. Ивонны Ло.

Нужно сказать, что Argus II - это миниатюрная видеокамера на очках и устройство, беспроводным образом передающее визуальную информацию электронному имплантату. Задача последнего - стимулировать клетки, которые собирают информацию, в соответствии с инструкциями, получаемыми от «внешнего устройства».

Для участия в эксперименте отобрали восемь пациентов, практически лишенных зрения вследствие дегенерации сетчатки. Их задачей было с помощью прибора различить два объекта (белый и металлический): сначала на темном фоне, а после, с выделенными контурами. Для начала, больным с тяжелой формой пигментного ретинита предлагалось сделать это с выключенным устройством, затем - с работающим некорректно, и наконец, с работающим нормально.

Различить два предмета с выключенным устройством пациентам удалось в 12,5% случаев для первого опыта и в 9,4% - для второго. С плохо работающим прибором процент успеха поднялся до 26,2% и 20,7%. И наконец, с хорошо функционирующим устройством, степень точности различения составила 32,8% и 41,4% соответственно, что не может не впечатлять.

Успешную конкуренцию SecondSight в этом направлении составляет BostonRetinalImplantProject (США), в котором участвуют исследователи из Гарварда, Флоридского международного университета, Массачусетского технологического института и пр.

Отличительной особенностью такого рода устройств является микрочип, передающий внешние сигналы к клеткам глазного нерва. Это происходит посредством электродов. К примеру, у Argus II этих электродов 60, при этом, чем их больше, тем более детальным получится изображение, ведь микрочип сможет активировать больше клеток, а значит сообщать мозгу больше информации.

В этой связи можно с уверенностью предсказать борьбу между производителями имплантатов за увеличение числа электродов подобное тому, что произошло в сфере процессорных технологий, когда на единице площади пытались уместить по возможности больше транзисторов.

Так вот, рабочей группе проф. Кинзи Джонсу из международного университета во Флориде сделать это удалось. По их технологии производят чипы уже с 256 электродами. Данная технология, правда, пока что ждет клинических испытаний, но, ученые уверены, что их чипам уготовано блестящее будущее.

Однако не нужно думать, что подобные устройства - панацея от связанных с сетчаткой проблем. Какие бы успехи не предрекали таким протезам, вряд ли в обозримом будущем они смогут полностью заменить сетчатку в человеческом глазу.