211service.com
Het menselijk oog decoderen
Kunstmatige netvliezen zijn al in klinische proeven bij mensen aan de Universiteit van Zuid-Californië, waar ze blinde patiënten hebben geholpen muren van deuropeningen te onderscheiden en zelfs voetbalwedstrijden te kijken, zij het als bewegingsonscherpte. Maar om normaal zicht te benaderen - en mogelijk mensen in staat te stellen te lezen - zijn apparaten nodig die elektrische stroom met veel meer controle en precisie kunnen leveren. Een nieuwe chip dicht opeengepakt met elektroden, ontwikkeld door wetenschappers van de University of California, Santa Cruz (UCSC), is de eerste stap in die richting.
Proefbank: Een array van 512 elektroden (gouden cirkel), gemodelleerd naar detectoren die werden gebruikt om deeltjes te vangen in de hoge-energiefysica, helpt bij het ontcijferen van de neurale code van het netvlies. De bevindingen zullen helpen bij het ontwerp van toekomstige netvliesprothesen.
De chip wordt momenteel gebruikt in onderzoek en kan individuele cellen in retinale monsters stimuleren en opnemen. De technologie zal inzicht verschaffen in hoe het netvlies informatie codeert en hoe die coderingslessen kunnen worden nagebootst die cruciaal zullen zijn bij de ontwikkeling van de volgende generatie netvliesimplantaten. Verderop kan een versie van de technologie worden gebruikt om visuele informatie door de oogzenuw te sturen.
Het netvlies is een zeer geavanceerd apparaat voor het verwerken van visuele informatie, zegt Alan Like , een natuurkundige bij UCSC die zijn expertise toepast op neurobiologie. Om een menselijke patiënt op een dag het normale visuele functioneren te laten benaderen, zoals lezen, moet je een zeer nauwkeurig niveau van controle hebben.
Het netvlies is een dunne laag cellen aan de achterkant van het oog; fotoreceptorcellen in het netvlies detecteren licht en sturen signalen naar de retinale ganglioncellen, die de signalen vervolgens via de oogzenuw naar de hersenen sturen. Bij maculaire degeneratie en retinitis pigmentosa, twee belangrijke oorzaken van blindheid, worden fotoreceptorcellen beschadigd, maar de resterende retinale ganglioncellen worden grotendeels intact gelaten. Kunstmatige netvliezen, die afhankelijk zijn van een externe camera om visuele informatie vast te leggen, bestaan uit een processor die die informatie vertaalt in een elektrische code die begrijpelijk is voor de zenuwcellen van het oog, en een chip bezaaid met kleine elektroden die de elektrische signalen naar het netvlies verzenden ganglion cellen.
multimedia
Bekijk beelden van een kunstmatig netvlies en het effect ervan op het gezichtsvermogen.
Litke en zijn medewerkers hebben hun chip gemodelleerd naar de siliciummicrochipdetectoren die supercolliders in lijn brengen om tekenen van ongrijpbare, hoogenergetische, subatomaire deeltjes, zoals het Higgs-deeltje, te vangen. Met behulp van gemeenschappelijke fabricagetechnieken voor geïntegreerde schakelingen bouwden de onderzoekers op maat meer dan 500 elektroden en versterkers op een kleine glazen strip. Er zijn andere commerciële opnamesystemen met meerdere elektroden beschikbaar, maar het team van UCSC heeft de technologie echt vooruit geholpen door een systeem te bedenken waarmee veel meer neurale reacties kunnen worden vastgelegd, zegt Matt McMahon, een wetenschapper bij Tweede blik , het bedrijf gevestigd in Sylmar, CA, dat de netvliesprothesen ontwikkelt die in de USC-studie worden gebruikt. Second Sight gebruikt het apparaat van Litke om het ontwerp van toekomstige prothesen te informeren. Het apparaat van de eerste generatie van het bedrijf had 16 elektroden, het apparaat van de tweede generatie dat momenteel bij mensen wordt getest, heeft er 60 en een versie met 200 elektroden is in ontwikkeling. (Zie Retina-implantaat van de volgende generatie.)
Met het UCSC-apparaat kunnen wetenschappers individuele retinale ganglioncellen nauwkeurig controleren, een vermogen dat essentieel zal zijn in implantaten van de volgende generatie. Een van de redenen waarom de prothesen die momenteel bij mensen worden getest, een beperkte resolutie hebben, is dat ze honderden cellen tegelijk stimuleren. (De diameter van de elektroden is een orde van grootte groter dan die van de meeste cellen.) De elektroden met een diameter van vijf micrometer in de chip van Litke zijn vergelijkbaar met de grootte van retinale ganglioncellen, waardoor ze individuele cellen kunnen stimuleren. De onderzoekers toonden eerder aan dat ze met een 60-elektrodeversie van de chip meerdere cellen tegelijk kunnen aansturen en ontwikkelen een versie met 512 elektroden.
Nu wetenschappers een technologie hebben ontwikkeld met zo'n nauwkeurig controleniveau, gebruiken ze deze om de taal van het netvlies te bestuderen - een taal waarvan ze hopen dat prothesen uiteindelijk zullen kunnen spreken. Hoewel het netvlies vaak wordt vergeleken met een camera, is het in werkelijkheid veel gecompliceerder. Lichtsignalen worden opgevangen en verwerkt in het netvlies; de reeksen elektrische bursts die door de verschillende en verschillende retinale ganglionceltypes naar de hersenen worden gestuurd, coderen voor verschillende aspecten van het gezichtsveld, zoals beweging, ruimtelijke patronen, kleur. Huidige prothesen gebruiken een vereenvoudigde code en verliezen daardoor informatie, net zoals morsecode de genuanceerde intonaties van het gesproken woord en de gezichtsuitdrukkingen van de spreker verliest. Wat zijn de patronen die echt nabootsen wat het gezonde netvlies zou doen? vraagt Alexander Sher, een assistent-onderzoeker bij UCSC die samenwerkt met Litke. Als je op het punt komt dat je individuele cellen kunt stimuleren, en je weet hoe individuele cellen informatie coderen, kun je dat exact of bijna exact simuleren.
Wetenschappers van Second Sight zeggen dat de lessen die uit deze onderzoeken worden getrokken, cruciaal zullen zijn voor de ontwikkeling van prothesen van de volgende generatie. Maar het zal een uitdaging zijn om het apparaat van de UCSC-onderzoekers om te vormen tot een implantaat dat geschikt is voor het menselijk oog. Veel technische overwegingen weerhouden ons ervan om naar heel kleine elektroden te springen, zegt McMahon. Dat vraagt om verdere ontwikkelingen op het gebied van elektronica en verpakkingen en software.