Бионическое зрение: технологии, позволяющие вернуть зрение

Технологии бионического зрения повышают светочувствительность и восстанавливают зрение. Они необходимы пациентам с генетическими наследственными и возрастными дегенеративными патологиями сетчатки глаза.

Только представьте, два миллиона человек по всему миру рождаются с отличным зрением. Но, достигнув подросткового возраста, начинают его терять из-за наследственных генетических заболеваний сетчатки. Потеря зрения прогрессирует и не поддается лечению. Уже к наступлению трудоспособного возраста большинство этих людей полностью слепнут.

Первоначальные исследования и разработки в области бионического зрения начались в середине XX века. В 1960-х годах были сделаны первые попытки создать электрические имплантаты, которые могли бы стимулировать зрительный нерв. В 1980-х и 1990-х годах появились прототипы ретинальных имплантатов, которые затем стали совершенствоваться.

Современные достижения в области бионического зрения стали возможны, благодаря развитию микроэлектроники, биоматериалов и нейронауки. В результате, на сегодняшний день разработано несколько типов бионических глаз.

Но, об этом чуть позже. Посмотрим сначала на чем основана технология бионического зрения.

Начнем с того, что естественный зрительный процесс начинается с того, что световые лучи проходят через роговицу и хрусталик глаза, которые фокусируют свет на сетчатке. Cостоящая из светочувствительных клеток, она в свою очередь, преобразует свет в электрические сигналы, которые передаются по зрительному нерву в мозг ^[1], где интерпретируются как образы.

В разработке бионического зрения используются различные методы и технологии для воспроизведения процесса естественного зрения. Камеры или другие устройства снимают окружающую среду и преобразуют ее в цифровой формат. Специальные процессоры обрабатывают полученные изображения, улучшая их качество и адаптируя к потребностям пользователя. Электроды, имплантированные в сетчатку или зрительный нерв, стимулируют их электрическими сигналами, имитируя работу естественных фоторецепторов. Обработанная информация передается по зрительным путям в мозг ^[1], где интерпретируется как визуальные образы. Таким образом, создается искусственная система зрения.

А теперь посмотрим, какие уже разработаны типы бионических глаз и приведем некоторые примеры.

Ретинальные протезы

Эти устройства помогают восполнить или улучшить функции поврежденных или утраченных фоторецепторов. Они преобразуют световые сигналы в электрические импульсы, которые стимулируют оставшиеся нервные клетки сетчатки, передавая визуальную информацию в мозг ^[1].

Импланты состоят из внутренних и внешних компонентов. Внешние элементы могут включать очки, миниатюрные компьютеры и блоки питания, а внутренние элементы - электроды или микрочипы. Внутренние компоненты имплантируются в разные части сетчатки: на её поверхность (эпиретинально) или за сетчатку (субретинально).

Эпиретинальные протезы симулируют работу оставшихся клеток сетчатки, посылая сигналы в мозг ^[1] для формирования зрительных ощущений. Они легче в имплантации по сравнению с субретинальными протезами и используют внешнюю камеру для захвата визуальной информации.

Пример:  IMIE 256-канальный интеллектуальный эпиретинальный имплантат ^[2], разработанный компаниями IntelliMicro Micro Co и Golden Eye Bionic.

Субретинальные протезы стимулируют средний слой клеток сетчатки, который затем передает сигналы в зрительный нерв. Эти устройства работают, если средний слой клеток не поврежден. Они должны обеспечивать более точное зрение, используя имеющиеся слои клеток для обработки световых сигналов.

Пример: HARP 4K ^[3] — биомиметическая сферическая бионическая сетчатка нового поколения, разрабатываемая компанией Iridium Medical Technologies.

Супрахориоидальные имплантаты — третий тип ретинальных протезов, который устанавливается между сосудистой оболочкой и склерой глаза. Пока ни один супрахориоидальный протез не был одобрен для лечения.

Кортикальные протезы

Это устройства имплантируются в зрительный нерв или мозг ^[1], включая таламус и зрительную кору.

Примеры:

• Gennaris от Monash Vision Group ^[4] и Orion от Second Sight ^[5]имплантируются на поверхность зрительной коры. Они связаны с мини-камерой, встроенной в очки, которая передает визуальную информацию по беспроводной связи непосредственно в мозг ^[1].

• Neuralink Blindsight — новый продукт Neuralink, объявленный Илоном Маском 20 марта 2024 ^[6] года, предназначенный для восстановления элементарной формы зрения у слепых людей.

• ELVIS ^[7], разработанный российской компанией «Сенсор-Тех», восстанавливает зрение с помощью слабых электрических токов, стимулирующих зрительную кору головного мозга ^[1]. Микрокомпьютер на поясе обрабатывает информацию с использованием алгоритмов искусственного интеллекта, упрощая объекты для пациента. Камера в очках захватывает визуальные данные и передает их на микрокомпьютер, который затем преобразует их в электрические стимулы, посылаемые на электроды в зрительной коре. Испытания на людях планируются на 2025-2026 годы, а выход на рынок ожидается в 2027 году.

Интракортикальные протезы

Инновационные интракортикальные визуальные протезы (ICVP) представляют собой имплантаты, которые обходят сетчатку и зрительные нервы, подключаясь напрямую к зрительной коре мозга ^[1]. Первая такая система ^[8] была разработана мультидисциплинарной командой Института биомедицинских наук и инженерии Притцкера при Иллинойском технологическом институте и профессора биомедицинской инженерии. Она является результатом почти тридцатилетних исследований, направленных на создание искусственного зрения для людей, ослепших из-за заболеваний глаз или травм. В 2022 году была проведена первая успешная операция по вживлению имплантов слепому пациенту. В течение последующих двух лет пациент мог ориентироваться и выполнять основные визуально управляемые задачи.

Вызовы и перспективы

Одним из основных вызовов является ограниченное разрешение и качество изображений, которое может быть ниже по сравнению с естественным зрением. Текущие технологии не могут воспроизвести все детали и цвета. Это создает затруднения при распознавании мелких объектов или чтении текста. Также процесс адаптации к бионическим имплантам может быть довольно длительным и требовать больших усилий, как со стороны пациента, так со стороны медицинских специалистов.

Другим важным аспектом являются финансовые затраты на разработку, производство и установку бионических глаз. Это может привести к ограничению доступности этой технологии для большинства людей.

Также возникает вопрос об ответственности за возможные побочные эффекты и неудачные операции: кто должен нести ответственность за негативные последствия и какие меры должны быть предприняты для минимизации рисков.

Соблюдение прав и конфиденциальности пациентов остается под вопросом. Необходимо обеспечить защиту данных, получаемых с помощью бионических глаз, и предотвратить их использование без согласия пользователя.