Команда инженеров из Калифорнийского Университета совместно с Nanovision Biosciences Inc. разработала нанотехнологичное беспроводное устройство для нового типа протезов сетчатки глаза, которое ещё на шаг приблизило нас к восстановлению возможности нейронов сетчатки реагировать на свет.
Исследователи продемонстрировали эту реакцию в исследовании, проведённом на сетчатке крысы и опубликованном в Journal of Neural Engineering. Эта технология может помочь миллионам людей по всему миру, страдающим от нейродегенеративных заболеваний, при которых повреждается зрение. К ним можно отнести дегенерацию жёлтого пятна сетчатки, пигментную дистрофию сетчатки и потерю зрения, связанную с диабетом.
Несмотря на огромные успехи в развитии протезов сетчатки за последние два десятка лет, возможности тех устройств, что на сегодняшний день представлены на рынке, довольно ограничены.
“Мы хотим создать совершенно новый класс устройств со значительно большими возможностями, чтобы помочь людям с ослабленным зрением”, говорит Gabriel A. Silva, один из ведущих авторов исследования и профессор биоинженерии и офтальмологии Калифорнийского Университета. Он также является одним из основателей Nanovision.
Новый протез основан на двух передовых технологиях. Одна из них состоит из рядов силиконовых нановорсинок, которые синхронно воспринимают свет и затем электрически стимулируют сетчатку. Благодаря нановорсинкам увеличивается разрешающая способность протеза, которую не могли достичь в предыдущих аппаратах. Вторая технология — беспроводное устройство, которое способно передавать энергию и информацию на нановорсинки по беспроводной связи на максимальной скорости и с максимальной энергией.
Одно из главных отличий между новым прототипом и уже существующими моделями в том, что для новой системы не требуется располагать датчик изображения вне глаза для фиксации изображения и трансформации его в сигналы, последовательно стимулирующие нейроны сетчатки. Вместо этого силиконовые нановорсинки имитируют световые сенсоры сетчатки для направленной стимуляции её клеток. Нановорсинки связаны с сетью электродов, целенаправленно активирующихся светом и питающихся одним беспроводным электрическим сигналом. Такая направленная и локальная трансформация случайного луча света в электрический сигнал позволяет упростить и удешевить протезы.
Энергия, предоставляемая нановорсинкам от одного беспроводного электрического сигнала, наделяет светочувствительные электроды высокой чувствительностью, при этом позволяя контролировать время стимуляции.
“Для восстановления зрения очень важно, чтобы нейронный интерфейс соответствовал разрешению и чувствительности человеческой сетчатки”, поясняет Gert Cauwenberghs, профессор биоинженерии в Калифорнийском Университете.
Энергия доставляется беспроводным способом из внешней среды в имплант через индуктивную телемеханическую систему, которую изобрела команда во главе с Cauwenberghs.
Устройство очень энергетически эффективно из-за минимизации потерь энергии при её беспроводной передаче. Почти 90% переданной энергии доставляется и используется для стимуляции, что означает меньшее нагревание окружающих тканей и меньшее излучение радиации.
Телемеханическая система способна передавать и энергию, и информацию благодаря одной паре индуктивных элементов: один внешний — излучающий, а другой, находящийся в глазу, — воспринимающий.
Для проверки своего устройства исследователи вживили его под генномодифицированную сетчатку крысы с мутацией в гене, кодирующем белок родопсин P23H.
Горизонтальные и биполярные нейроны активировались только при совокупности световых и электрических сигналов. Если же один из сигналов отсутствовал, то нейроны “молчали”, что доказывает роль света и контроля потенциалов в активации рядов нановорсинок.