Наука и техника, 2007 № 02 (9) - [9]

В заключение хочется привести слова великого физика Нильса Бора: “Прогнозы трудны, особенно когда они нацелены на отдаленное будущее”. Трудны, но увлекательны, и поскольку у человечества в запасе есть еще примерно два миллиарда лет, за это время люди непременно что-либо придумают, может быть, попроще и понадежнее приведенных здесь гипотез.

• ХИМИЯ И БИОЛОГИЯ

Бионический глаз вживается в образ… электродами

Создавая внутриглазные электронные имплантаты, большинство авторов совершает ошибку — отказывается от “остатка” зрения, которое еще есть, и пробует заменить его камерой. Но интересная картина нарисуется, если создать биоэлектронный гибрид.

Дэниел Паланкер из Стэнфордского университета и его научная группа “Биомедицинской физики и офтальмологических технологий” разработали оригинальный протез сетчатки высокого разрешения или “Бионический глаз” (Bionic Eye), обладающий целым рядом преимуществ перед предыдущими проектами лечения слепоты с помощью электронных имплантатов.

Возрастная деградация сетчатки, при которой умирает значительное количество светочувствительных клеток, и такое заболевание, как пигментоз — ответственны за слепоту (или близкое к “нулю” зрение) миллионов людей во всем мире. Множество научных групп и лабораторий экспериментируют с имплантатами сетчатки. Поскольку при указанных дефектах сами нервные клетки (в основном) остаются в порядке, можно направлять в них слабые электрические импульсы с некой схемы — решетки из электродов, размещенной прямо в сетчатке. Соответственно, импульсы эти должны отражать картинку, которую снимает миниатюрная видеокамера, закрепленная на голове.

Чип на дне глаза слепого — давняя идея. Только вот найти оптимальную конструкцию оказалось сложнейшей задачей…

Блестящий замысел. Если бы не ряд “но”. Во-первых, размещение большого числа электродов на маленькой площади — это препятствие биологического плана. Схема просто перегревает глаз. Кроме того, даже имплантировав решетку в толщу сетчатки, нельзя добиться слишком близкого соприкосновения электродов и ее глубинных клеток, лежащих непосредственно под умершими фоторецепторами. И получается, что как только инженеры сближают электроды между собой (то есть увеличивают разрешение микросхемы), каждый из них начинает действовать сразу на ряд ближайших клеток — а должен, в идеале, — только на одну, иначе смысл в высоком разрешении изображения телекамеры полностью пропадает.

Чтобы это препятствие обойти, нужно “привязать” по одному электроду на одну, от силы — две клетки. Но для плотности пикселей, геометрически соответствующей остроте зрения 20/400 (это почти невидящий человек, порог “юридической слепоты”, как пишут авторы работы, а в наших единицах — это зрение 0,05) клетки должны располагаться не дальше 30 микрон от электродов. А для остроты 20/80 (0,25) это расстояние не должно превышать 7 микронов. При такой остроте зрения, кстати, уже можно пользоваться компьютером, передвигаться по городу, распознавать лица и вообще— вести самостоятельную жизнь. Нажимать же на имплантат при внедрении (чтобы плотнее прижать электроды к слою клеток) нельзя — велик риск травмы сетчатки. А ведь расстояние между каждым из электродов и его “подшефной” клеткой — далеко не все. Для такой остроты зрения (20/80) нужно иметь плотность пикселей в 2,5 тысячи на квадратный миллиметр. А тут начинает проявляться не только паразитная перекрестная связь между соседними электродами, но и перегрев (клетки нельзя нагревать больше, чем на один градус выше естественной температуры в глазу), а также— нарушение электрохимии в окружающей микросхему живой среде. Потому никому до сих пор не удавалось создать устройство с числом электродов (читай — транслируемых пикселей) больше нескольких штук, десятков, ну, может быть — сотен. А нужно их иметь — многие тысячи.

Разрез под микроскопом: клетки сетчатки крысы мигрируют через крошечное отверстие имплантата

Тут сделаем еще один мини-экскурс в биологию. Глаз имеет примерно 100 миллионов фоторецепторов (это как камера на 100 мегапикселей). Однако в составе зрительного нерва в мозг идет всего 1 млн. раздельных каналов. Информация пропадает? Нет, оказывается, в самой сетчатке уже происходит предварительная обработка, некое суммирование информации.

Сама сетчатка — это ведь не только слой фоторецепторов, но и слой нервной сети. Теперь, если возвращаться к имплантатам с электродами, необходимо сказать — есть несколько подходов к размещению такого имплантата в глазу. Он может занимать различные слои по глубине. Можно обойтись меньшим числом электродов (только тогда необходимо имитировать суммированные сигналы нервной сети сетчатки), а если возбуждать нервные клетки, лежащие ближе к фоторецепторам — можно хорошо воспроизводить систему зрения, только плотность пикселей в имплантате должна быть высокой.

В новом проекте клетки сетчатки заманиваются в полости имплантата. На его поверхности и в отверстиях создается система стимулирующих электродов

Аналогично работает схема с выступами

Чтобы разрешить это противоречие, авторы нового проекта провели ряд опытов на крысах. И обнаружили новый биологический эффект. Ученые внедряли в сетчатки животных полимерные пластинки с маленькими отверстиями — диаметром 15–40 микрон. И вот через считанные часы клетки сетчатки сами начали передвигаться в отверстия, в течение всего нескольких дней заполняя полости под ними. Аналогично клетки вели себя и по отношению к пластине, которую покрывали стройные ряды длинных выступов-башенок. Клетки быстро заполняли промежутки между этими выступами.