Новая сетчатка. Искусственная сетчатка

Разработчиком искусственной кремниевой сетчатки (ASR -- Artificial Silicon Retina) является фирма Optobionics. Искусственная кремниевая сетчатка - это микросхема диаметром 2 мм и толщиной 0,025 мм, содержащая приблизительно три с половиной тысячи микроскопических фотодиодов, каждый из которых снабжен собственным стимулирующим электродом. Фотодиоды преобразуют свет в электрические импульсы, выводящиеся на стимулирующие электроды и возбуждающие зрительные нервные окончания. Искусственная сетчатка осуществляет имитацию работы глаза на уровне фоторецепторного слоя. Параллельно с вживлением искусственной сетчатки пациенту устанавливается контактная линза, обеспечивающая фокусировку света именно на нее.

Предложенная американскими исследователями в 2006 г., японскими - в 2007 г. искусственная сетчатка представляет собой тончайшую алюминиевую матрицу с полупроводниковыми элементами из кремния. Чип имеет размеры 3,5 х 3,3 миллиметра и содержит 5760 кремниевых фототранзисторов, которые играют роль светочувствительных нейронов в живой сетчатке. Эти транзисторы связаны с другими 3600 транзисторами, которые подражают нервным клеткам сетчатки, осуществляющим предварительную обработку зрительной информации перед отправкой в мозг.

Новый чип хорошо приспосабливается к изменениям в яркости и контрастности наблюдаемой сцены, а также прекрасно воспринимает движущиеся предметы, выделяя их на неподвижном фоне. Однако перед началом клинических испытаний американские новаторы намерены доработать свой проект - уменьшить размеры чипа и снизить его энергопотребление.

По принципу действия искусственная сетчатка напоминает настоящую: при попадании лучей света в полупроводниках образуется электрическое напряжение, которое в качестве зрительного сигнала должно передаваться в мозг и восприниматься в виде изображения.

В 2009 г. американским исследователям удалось связать нервные клетки с биосовместимой пленкой, вырабатывающей под действием света слабый электрический ток. Основа искусственной сетчатки – тонкая пленка, представляющая собой «бутерброд» из двух слоев: слоя наночастиц теллурида ртути и положительно заряженного слоя полимера PDDA. Оба слоя ученые соединили с помощью специального клея и нанесли на поверхность «бутерброда» биосовместимое аминокислотное покрытие, чтобы нервные клетки могли без проблем взаимодействовать с пленкой. На пленке ученые разместили культуру нейронов. Как только фотоны начали попадать на ее поверхность, в пленке наночастицы абсорбировали фотоны, производя при этом электроны, проходящие через слой полимера PDDA, вырабатывающего слабый электрический ток. Как только ток доходил до клеточной мембраны нейронов, происходил процесс ее деполяризации, и начиналось распространение нервного сигнала, свидетельствующее о наличие в этой области пленки света.

Ранее учеными уже были достигнуты определенные успехи в области стимуляции нейронов через кремниевые интерфейсы. Однако той точности в детекции света и его интенсивности, какую предоставляет пленка с наночастицами, до сих пор не удавалось достичь. Искусственная сетчатка, созданная на базе открытия ученых, сможет даже воспроизводить цветовую насыщенность объектов, не говоря уже о высоком разрешении. Также сетчатка биологически совместима с тканями человека, благодаря использованию полимеров. Кремниевые же аналоги напротив, труднее приспособить для полноценной работы в теле человека. Еще одна революционная особенность искусственной сетчатки – то, что она не зависит от внешних источников питания и «включается» сразу же после попадания на нее света

Американские ученые изучали нейронный код клеток сетчатки у мышей. В результате были полученные данные, которые использовали при создании искусственного глаза. Это устройство потенциально может восстановить зрения слепым мышам. Другие ученые таким же образом изучали код сетчатки у обезьян. Оказалось, что структура и нейронная активность ее во многом схожа с человеческой. Авторы этих работ считают, что эти исследования помогут создать устройство, которое после тестирования поможет слепым людям вновь обрести зрение.

Важно отметить, что по задумке исследователей, искусственная сетчатка поможет видеть не только контуры предметов, но способна даже восстановить зрительную функцию в полном объеме. То есть ранее слепой пациент сможет различать мелкие детали, например, черты лица собеседника. В настоящий момент исследование находится на стадии апробации на животных, которые могут различать движущиеся предметы.

Основной задачей ученых на этом этапе является создание очков или устройства в виде обруча, при помощи которых внешний свет будет собираться и преобразовываться в специфический электронный код. Далее этот код в центральных структурах мозга будет трансформироваться в изображение.

Заболевания сетчатки стоят на первом месте среди причин слепоты. Однако, даже при повреждении всех фоторецепторных клеток, зрительный нерв обычно не повреждается, то есть сохранен нервный выходной путь глазного яблока. Современные протезы применяют этот факт. При этом в глаз слепого человека имплантируют специальные электроды. Они стимулируют ганглиозные нервные клетки. Но при этом можно получить только расплывчатую картинку, то есть человек воспринимает очертания предметов.

Еще одним альтернативным методом лечения слепоты является стимуляция клеток посредством светочувствительных белков. Их вводят в сетчатку глазного яблока с применением методов генной терапии. При попадании в сетчатки, эти белки стимулируют одновременно большое количество ганглиозных клеток.

Однако, для формирования четкого изображения, необходимо установить код сетчатки, то есть тот путь преобразования света в электрический импульс, который использует природа. В противном случае сформированные импульсы будут непонятны нейронам мозга и построение четкого изображения станет невозможным.

Сначала ученые пытали получить этот код, используя простые предметы, к которым относят, например, геометрические фигуры. Доктор неврологии Шейла Ниренберг предположила, что код сетчатки должен быть однотипным как для построения простых геометрических фигур, так и для создания более сложных картин (человеческие лица, пейзажи). Во время работы над этой теорией Ш. Ниренберг поняла, что гипотеза однотипности подходит для протезирования сетчатки. Она провела простой эксперимент, во время которого мини-проектор, которым управлял расшифрованный код, посылал электрические импульсы в ганглиозные клетки мышей. В эти клетки при помощи методик генной инженерии предварительно были встроены светочувствительные белки.

При анализе результатов, которые получены в серии экспериментов, было установлено, что качество зрения мыши, которой был имплантирован этот проектор, ничем не отличается от зрительной функции здорового грызуна.

Эта инновационная технология дает надежду огромному количеству пациентов с нарушением зрения. В связи с тем, что лекарственная терапия помогает лишь небольшой части ослепших людей, протез сетчатки будет очень востребован в клинической практике.

Принес с собой новые технологии, которые помогли воплотить в жизнь ранее невозможные и необычные изобретения. К таким открытиям относятся:

• искусственная сетчатка глаза;
• проекционная клавиатура;
• электронная сигарета;
• мозговой интерфейс;
• использование цифровых камер в мобильных телефонах;
• цифровой синтезатор запахов;
• электронная бумага;
• портативный ядерный реактор;
• настольный 3D-сканер;
• искусственная хромосома;
• «умные» палочки для еды;
• нанороботы.

Поскольку пройдено еще меньше пятой части века, то, скорее всего, впереди всех ждут самые необычные изобретения человечества, разработанные и созданные в будущем. На сегодняшний день открытые новинки показывают, до чего дошел технический прогресс и какими неизведанными ранее возможностями может воспользоваться человек.

Рассмотрим подробнее некоторые необычные изобретения человека, созданные в начале двадцать первого века.

Искусственная сетчатка глаза

Данное открытие принадлежит японским ученым. Произведенная сетчатка представляет собой алюминиевую матрицу, где используются полупроводниковые элементы из кремния. Разрешение составляет 100 пикселей.

Сетчатка будет выполнять свои функции, если она была установлена в комплекте со специальными очками и небольшим компьютером. Очки со встроенной видеокамерой используются для получения и передачи изображения компьютеру, где и происходит обработка. Камера в очках преобразовывает свет в порции электронных импульсов. После обработки изображения компьютер делит его пополам и передает на левый и на правый глаз, в инфракрасные излучатели, расположенные на обратной стороне линз очков. Очки излучают короткие импульсы инфракрасного излучения, которое активирует фотодатчики на сетчатке глаза и заставляет их передавать электрические импульсы, кодирующие картинку, в оптические нейроны.

В будущем планируется, что такая сетчатка сможет вернуть зрение незрячему человеку и поможет видеть более мелкие предметы.

Позже японские ученые смогли вырастить сетчатку глаза из стволовых клеток мышей, ее тестирование еще не закончено.

Проекционная клавиатура

С течением времени появляются все новые и новые изобретения. присутствуют в жизни человека, одна из них - это проекционная клавиатура.

С ее помощью появляется возможность проектировать клавиши на поверхность, где и происходит их нажатие. Видеопроектор, который проектирует клавиатуру, имеет датчик, способный отслеживать движения пальцев, после чего высчитывает координаты нажатых клавиш и на дисплей выводит правильно набранный текст. Однако такая клавиатура имеет и недостатки, ее нельзя использовать на природе.

Электронная сигарета

Это открытие сделал китайский ученый, после того как его отец умер от рака легких. Никотиновая зависимость - одна из самых сильных в мире. Чего только ни делает человек, бросающий курить. Он старается заменить эту привычку чем-то другим, например, клеит покупает жвачки, пытается найти альтернативу курению.

Электронная сигарета - это устройство, с помощью которого имитируется процесс курения. При использовании такой новинки человек не отказывается от своей привычки, не ищет замен, а обычно проводит время. Однако курильщик не портит свои лёгкие ядовитой смолой и продуктами горения, поскольку они отсутствуют в данном виде устройства. Таким образом, человек, курящий электронную сигарету, может избавиться от никотиновой зависимости.

Мозговой интерфейс

Необычные изобретения 21 века довольно разнообразны, и одно из них - мозговой интерфейс.

Пример управления предметами мыслью был продемонстрирован японской компанией. Человек силой мысли заставлял переключаться выключатель, установленный на масштабной железной дороги.

Принцип действия: в инфракрасном спектре происходит просвечивание и съемка коры головного мозга. При проведении такой процедуры хорошо видно прохождение по сосудам гемоглобина как с кислородом, так и без, при этом виден и объем крови в различных участках мозга. Такие изменения машина переводит в сигналы напряжения, которые руководят внешними устройствами. Таким образом и происходит управление переключателем поезда.

В проекте планируется достичь более сложного дешифрования изменений в работе мозга человека. Получение сигналов выполнения будет вершиной развития человеко-машинного интерфейса.

Цифровой синтезатор запахов

Сегодня никого уже не удивишь 3D-звуком или 3D-видео. На сегодняшний день это достаточно популярные изобретения. Необычные технологии вошли в нашу жизнь в начале 21-го века. Французская компания представляет свое решение цифрового измерения запахов. Появление такой новинки принесло разнообразие в «цифровую жизнь» общества. Многообразие запахов будет синтезироваться из картриджей. Это добавит изюминки к просмотру фильмов и видеоигр.

Электронная бумага

Представляет собой то же, что и электронные чернила. Информация отображается на особом дисплее. В электронных книгах используется электронная бумага, также она применяется и в других сферах. Электронные чернила в отраженном свете могут отображать графику и текст достаточно долго, не затрачивая при этом много энергии.

Преимущества такой бумаги:

• экономия энергии;
• данный вид чтения не нагружает глаза, как обычная бумага, а значит, не портит зрение человека.

Электронная бумага может отражать видеоролик с частотой 6 кадров в секунду, передает 16 оттенков серого цвета.

Продолжаются работы по совершенствованию данного изобретения и увеличения скорости показа.

Настольный 3D-сканер

Принцип работы такого устройства состоит в использовании двух камер, изображение с которых формируется и сравнивается. С помощью такого сканера создаются точные трехмерные модели необходимых объектов. Отражаются они с максимальной точностью различных деталей. Информация передается в математическом, компьютерном и цифровом виде, несет данные о размерах, форме, цвете сканированного элемента.

С помощью компьютера осуществляется управление настройками изображения. Все полученные данные анализируются, и изображение появляется на экране уже в трехмерном пространстве.

«Умные» китайские палочки для еды

Одна из в двадцать первом веке презентовала вниманию аудитории «умные» палочки для еды. Суть данного изобретения в том, что при погружении палочек в пищу на экране гаджета, на котором установлено необходимое приложение, отражается информация о качестве пищи. То есть, опустив, например, палочки в масло, вы на экране увидите сообщение «хорошее» или «плохое», исходя из качества проверяемого продукта.

К выпуску такого изобретения ученых подтолкнула ситуация с продуктами в Китае. В стране выявлено много заболеваний именно из-за употребления в пищу некачественной еды. Часто продукты готовят на одном и том же масле, что приводит к появлению в нем токсических веществ.

«Умные» палочки могут показать:

• свежесть масла;
• уровень pH;
• температуру жидкости;
• количество калорий во фруктах.

Производители собираются расширять возможности палочек, чтобы с их помощью можно было определять большее количество показателей принимаемой пищи. еще не было выпущено в доступную продажу, поскольку пока не ведется массовое производство.

Изобретение: нанороботы

На сегодняшний день многие ученые стремятся создать нанороботов - машины, которые смогут работать на атомном и молекулярном уровнях. Такое изобретение даст возможность производить молекулярные материалы. Можно будет, например, делать кислород или воду. Также в хозяйственной сфере они смогут создавать продукты питания, топливо и участвовать в других процессах, обеспечивающих жизнедеятельность человека. Такие роботы смогут сами себя создавать.

Нанотехнологии являются символом будущего и одним из векторов развития цивилизации. Их использование возможно практически в любых сферах человеческой жизни.

В медицине появление нанороботов приведет к полному излечению организма человека. Их можно будет запустить в тело. Правильно запрограммированные машины начнут уничтожать вирусы и другие вредные вещества, находящиеся внутри организма. С помощью нанотехнологий можно придать красивый и здоровый вид коже человека.

В экологии электронные машины помогут прекратить загрязнение планеты. С их помощью можно будет проводить очищение воды, воздуха и других жизненно важных источников здоровья человека.

Такие необычные изобретения человечества могут помочь в решении сложных задач, однако на данный момент разработки находятся на научно-исследовательской стадии.

На сегодняшний день созданы некоторые компоненты будущих молекулярных машин, проводятся различные конференции, посвященные вопросу создания нанороботов.

Существуют примитивные прототипы будущих машин. В 2010 году впервые были показаны молекулярные машины на основе ДНК, которые могут перемещаться в пространстве.

Мир нанотехнологий не стоит на месте, и возможно, 21-й век еще будет наименован веком, в котором появятся самые необычные изобретения.

Виртуальный мир

Новый век принес с собой виртуальное общение, знакомства, игры. Человек строит сам свой кругозор, создает свои виртуальные страницы во Всемирных социальных сетях. Поэтому можно сказать, что необычные изобретения, своими руками созданные, - это социальные сети.

Развитие технологий приводит к уменьшению реальных встреч и больше склоняет к виртуальному общению.

Новые виртуальные изобретения, необычные функции которых помогают адаптации человека в виртуальном социуме, - это:

Заключение

Изобретения бывают глупыми и умными, полезными и не очень. Однако с каждым годом необычные изобретения мира совершенствуются, на фоне одних развиваются другие. Человечество стремится изобрести что-нибудь необыкновенное, что удивит всех. При этом новинка должна приносить в жизнь людей удобство, облегчать в чем-то жизнь человеку.

21-й век еще будет приносить новые изобретения, необычные возможности, благодаря которым человечество сможет осваивать не изведанные ранее пространства и приобретать новые знания.

Немецкие ученые разработали имплантируемую искусственную сетчатку глаза.

В эксперименте она частично вернула трем пациентам, ослепшим в результате наследственной дистрофии сетчатки, пишет The Daily Telegraph.

Предыдущие устройства с подобным предназначением представляли собой камеру и процессор, которые нужно носить наподобие очков. Бионический имплантат, разработанный фирмой Retinal Implant AG совместно с Институтом офтальмологических исследований при Университете Тюбингена, вживляется прямо под сетчатку и использует оптический аппарат глаза. Таким образом, он является непосредственной заменой утраченных световых рецепторов.

Получаемое с помощью бионической сетчатки черно-белое изображение стабильно и соответствует движениям глазного яблока.

Трое пациентов, принявших участие в испытаниях прибора, через несколько дней после операции смогли различать формы объектов. У одного из них зрение улучшилось настолько, что он начал свободно ходить по помещению, подходить к людям, видеть стрелки часов и различать семь оттенков серого цвета.

По словам профессора Эберхарта Цреннера (Eberhart Zrenner), возглавляющего Глазную больницу Университета Тюбингена, пилотные испытания убедительно доказали, что имплантат способен восстановить зрение людей с дистрофией сетчатки в достаточном для повседневной жизни объеме. Правда, отметил он, внедрение устройства в клиническую практику займет немало времени.

Бионическую сетчатку, по мнению ученых, можно будет применять при слепоте, вызванной пигментным ретинитом и другими дистрофическими заболеваниями сетчатки.

В 2018 году 39 миллионов человек остаются слепыми. Из-за наследственных заболеваний, старения тканей, инфекций или травм. Одна из главных причин - это болезни сетчатки. Но наука развивается так быстро, что фантастика переходит из книг в лаборатории и операционные, снимая барьер за барьером. Ниже мы рассмотрим, какое будущее ждет офтальмологию, как будут лечить (и уже лечат), возвращать зрение, диагностировать недуги и восстанавливать глаза после операций.

Киборгизация: бионические глаза

Главный тренд офтальмологии будущего - бионические глаза. В 2018 году уже существуют 4 успешных проекта, и искусственные глаза сейчас - далеко не картинка из футуристического фэнтези.

Самый интересный проект - это Argus II от Second Sight. Устройство состоит из импланта, очков, камеры, кабеля и видеопроцессора. Имплант, имеющий передатчик, вживляется в сетчатку. Носимая с очками камера фиксирует изображения, которые процессор обрабатывает, генерируя сигнал, передатчик импланта принимает его и стимулирует клетки сетчатки. Так реконструируется зрение. Разработка изначально предназначалась для больных макулодистрофией. Это возрастное заболевание, оно сопровождается слабым кровоснабжением центра сетчатки и приводит к слепоте.

В чем недостаток технологии? Устройство стоит баснословные 150 тысяч долларов и не возвращает зрение полностью, лишь позволяя различать силуэты фигур. По состоянию на 2017 год 250 человек носят Argus II, что, безусловно, ничтожно мало.

У Argus II есть аналоги. Например, Boston Retinal Implant. Он тоже создан специально для пациентов с макулодистрофией и пигментным ретинитом (разложением фоторецепторов сетчатки). Он работает по похожему принципу, направляя сигналы нервным клеткам и создавая схематичное изображение объекта. Стоит назвать и IRIS, созданный для пациентов на последних стадиях деградации сетчатки. IRIS состоит из видеокамеры, носимого процессора и стимулятора. От них отличается Retina Implant AG. Имплант улавливает фотоны и активирует зрительный нерв, при этом устройство обходится без внешней камеры.

Импланты в головном мозге

Как ни странно, лечить зрение можно, не касаясь глаз. Для этого достаточно вживить в мозг чип, который будет стимулировать короткими электрическими разрядами зрительную кору. В этом направлении работает упомянутый выше Second Sight. Компания разработала альтернативную версию Argus II, которая совсем не затрагивает глаза и работает с мозгом напрямую. Девайс будет стимулировать нервные клетки током, извещая мозг о потоке света.

Искусственная сетчатка

Мы сказали, что пигментный ретинит поражает фоторецепторы сетчатки, из-за чего человек перестает воспринимать свет и слепнет. Это заболевание кодируется генетически. Сетчатка состоит из миллионов рецепторов. Мутация лишь в одном из 240 генов запускает их гибель и портит зрение, даже если связанные с ней зрительные нейроны будут целы. Как быть в этом случае? Имплантировать новую сетчатку. Искусственный аналог состоит из электропроводящего полимера с шелковой подложкой, завернутого в полимерный полупроводник. Когда падает свет, полупроводник поглощает фотоны. Вырабатывается ток и электрические разряды касаются нейронов сетчатки. Эксперимент с мышами показал, что при освещенности в 4-5 лк (Люксов), как в начале сумерек, мыши с имплантами реагируют на свет так же, как и здоровые грызуны. Томография подтвердила, что зрительная кора мозга крыс была активна. Неясно, будет ли разработка полезной для людей. Итальянский технологический институт (IIT) обещает отчитаться о результатах опытов в 2018 году.

Ошибка в коде

Носимые, вшиваемые и встраиваемые устройства - не единственная надежда офтальмологии. Для того, чтобы вернуть зрение, можно переписать генетический код, из-за ошибки в котором человек начал слепнуть. Метод CRISPR, который базируется на инъекции раствора с вирусом, несущим правильный вариант ДНК, излечивает наследственные заболевания. Исправление кода позволяет бороться с возрастной дегенерацией сетчатки, а также с амаврозом Лебера - крайне редким недугом, убивающим светочувствительные клетки. В мире им страдает около 6 тысяч человек. Препарат Luxturna обещает покончить с ним. Он содержит раствор с правильной версией гена RPE65, шифрующим структуру необходимых белков. Это инъекционный препарат - его вводят в глаз микроскопической иглой.

Диагностика и восстановление после операции

Сопровождающий нас повсюду смартфон - прекрасный инструмент для быстрой и точной диагностики. Например, синхронизированный со смартфоном офтальмоскоп Peek Vision позволяет делать снимки сетчатки где и когда угодно. А Google в 2016 году представил алгоритм анализа изображений, основанный на искусственном интеллекте, который позволяет выявлять признаки диабетической ретинопатии на снимках сетчатки. Алгоритм отыскивает мельчайшие аневризмы, указывающие на патологию. Диабетическая ретинопатия - это тяжелое поражение сосудов сетчатой оболочки глаза, ведущее к слепоте.

Будущее - за быстрым восстановлением после операций. Интересен препарат Cacicol, представленный турецкими исследователями в 2015 году. Их разработка снимает боль, повышенную чувствительность и жжение после операции на глазах. Препарат уже опробовали клинически: пациенты, которым сшивали роговицу (этот метод используется при лечении ее истончения - кератоконуса), отмечали снижение побочных эффектов.

Каким будет зрение будущего?

Уже сейчас офтальмология достигла поразительных успехов: прежде неизлечимую слепоту можно обратить, а наследственные заболевания побороть, переписав несколько участков генетического кода. В каком направлении будет идти развитие? Попробуем предположить:

Лучше предотвратить, чем лечить. Окулист в смартфоне и нейронная сеть, ставящая диагноз, обещают заметно сократить риск запущенных и едва излечимых болезней глаз. Дополненная реальность (AR) позволит распространять медицинские знания в игровой и необременительной форме. Уже сейчас есть приложения AR, моделирующие последствия катаракты и глаукомы. Знание, как известно, сила. Заменить, если нельзя вылечить. Киборгизация - это ключевой медицинский тренд. Нынешние разработки хороши, но они реконструируют зрение лишь отчасти, позволяя различать размытые контуры. В ближайшие 10 лет технология будет идти по пути повышения качества изображения и детализации. Важная задача - избавиться от носимых компонентов: камеры, очков, кабеля. Имплант должен стать мягче и, можно сказать, дружелюбнее для тканей человека, чтобы не ранить их. Вероятно, чипы без внешних вспомогательных элементов, вживляемые прямо в мозг - это самая перспективная ветка киборгизации зрения. Дешевле и доступнее: 150 тысяч долларов за устройство пока делают бионические глаза очень далекими от рынка и недосягаемыми для большинства больных. Следующий шаг - сделать их максимально доступными. Восстановление за часы: вживление чипов, коррекция сетчатки и даже исправление ДНК требуют хирургического вмешательства. Оно оставляет резь, жжение, фантомные боли и другие неприятные следствия. Препараты будущего будут регенерировать поврежденные ткани за часы. Фантастическое зрение для всех: мгновенный снимок с помощью глаза и сетчатка, подключенная к интернету, только сейчас выглядят как научная фантастика.