Миллионы людей теряют зрение из-за дегенеративных заболеваний глаз. Одно только генетическое заболевание пигментного ретинита поражает 1 из 4000 человек во всем мире. Сегодня существуют технологии, позволяющие частично вернуть зрение людям с этим синдромом. Argus II, первый в мире протез сетчатки, воспроизводит некоторые функции части глаза, важные для зрения, чтобы пользователи могли воспринимать движение и формы.
В то время как протезы сетчатки все еще находятся в зачаточном состоянии, для сотен пользователей по всему миру, так называемый, "бионический глаз" улучшая их повседневное взаимодействие с миром. Например, видя очертания объектов, они могут перемещаться в незнакомой среде с большей безопасностью. Это только начало. Исследователи стремятся улучшить технологию в будущем, ставя весьма амбициозную цель — полную имитацию работы сетчатки.
Недавний прогресс в исследованиях, которые проводились при помощи продвинутой компьютерной модели процессов происходящих в сетчатке приблизил команду исследований из Медицинской школы Кека при Университете Южной Калифорнии к заветной цели. Их экспериментально подтвержденная модель воспроизводит формы и положения миллионов нервных клеток в глазу, а также связанные с ними физические и сетевые свойства.
Сосредоточившись на моделях нервных клеток, которые передают визуальную информацию от глаза к мозгу, исследователи определили способы потенциально повысить четкость и предоставить цветовое зрение будущим протезам сетчатки.
Чтобы понять, как компьютерная модель может улучшить бионический глаз, полезно немного узнать о том, как работает наше зрение и сам протез.
Когда свет попадает в здоровый глаз, линза фокусирует его на сетчатке, в задней части глаза. Клетки, называемые фоторецепторами, преобразуют свет в электрические импульсы, которые обрабатываются другими клетками сетчатки. После обработки сигналы передаются ганглиозным клеткам, которые доставляют информацию от сетчатки к мозгу через длинные хвосты, называемые аксонами, которые объединяются вместе, образуя зрительный нерв.
Фоторецепторы и процессинговые клетки отмирают при дегенеративных заболеваниях глаз. Ганглиозные клетки сетчатки обычно дольше остаются функциональными. Argus II передает сигналы непосредственно этим клеткам.
Пациенту устанавливается крошечный глазной имплантат с набором электродов. Эти электроды активируются дистанционно, когда сигнал передается от пары специальных очков, на которых установлена камера. Образцы света, обнаруженные камерой, определяют, какие ганглиозные клетки сетчатки активируются электродами, посылая сигнал в мозг, который приводит к восприятию черно-белого изображения, состоящего из 60 точек.
При определенных условиях электрод в имплантате будет случайно стимулировать аксоны клеток, соседствующих с его целью. Для пользователя бионического глаза такая нецелевая стимуляция аксонов приводит к восприятию объемной формы вместо точки. В исследовании, опубликованном в IEEE Transactions по нейронным системам и реабилитационной инженерии, группа ученых и инженеров использовали компьютерную модель для решения этой проблемы.
Исследователи использовали модели двух подтипов ганглиозных клеток сетчатки на уровне отдельных клеток, а также в огромных сетях. Они идентифицировали паттерн из коротких импульсов, которые преимущественно нацелены на клеточные тела, с меньшей активацией аксонов вне цели.
Другое недавнее исследование, опубликованное в журнале Scientific Reports, применило ту же систему компьютерного моделирования к тем же двум подтипам клеток, чтобы выяснить, как воссоздать цвет.
Это исследование основано на более ранних работах, показывающих, что люди, использующие Argus II, воспринимают изменения цвета с изменением частоты электрического сигнала — количества повторений сигнала в течение заданного времени. Используя эту модель, исследователи разработали методы настройки частоты сигнала для создания восприятия синего цвета.
Помимо возможности добавления цветового зрения к бионическому глазу, кодирование с помощью оттенков может быть объединено с искусственным интеллектом в будущих работах, основанных на этой системе, чтобы выделялись особенно важные элементы в окружении человека, такие как лица или дверные проемы.
