Компьютерная модель помогает улучшить технологию "бионического глаза"
Миллионы людей сталкиваются с потерей зрения из-за дегенеративных глазных заболеваний. От одного только пигментного ретинита страдает один из 4000 человек во всем мире.
Сегодня существует технология, позволяющая обеспечить частичное зрение людям с этим заболеванием. Например, первый в мире протез сетчатки глаза Аргус II воспроизводит некоторые функции, необходимые для зрения, чтобы предоставить пользователям возможность воспринимать движения и формы. Хотя эта технология пока находится в зачаточном состоянии, она позволяет невидящим людям видеть очертания предметов, чтобы они могли передвигаться в незнакомой обстановке с повышенной безопасностью.
Ученые из Медицинской школы Кека и Инженерной школы Витерби при университете Южной Калифорнии (США) стремятся разработать системы, которые действительно имитируют сложность сетчатки.
Они надеются продвинуться в своих исследованиях с использованием компьютерной модели того, что происходит в сетчатке глаза. Их экспериментально подтвержденная модель воспроизводит формы и положение миллионов нервных клеток в глазу, а также связанные с ними физические и сетевые свойства.
Как говорит директор Института технологии и медицинских систем университета Южной Калифорнии Джанлука Лаззи,
Вещи, которые раньше мы даже не могли видеть, теперь мы можем моделировать. Мы можем имитировать поведение нейронных систем, чтобы по-настоящему понять, почему нейронная система делает то, что она делает.
Сосредоточившись на моделях нервных клеток, которые передают визуальную информацию от глаза к мозгу, исследователи определили пути потенциального повышения четкости и придания цветного зрения будущим протезам сетчатки.
Когда свет попадает в здоровый глаз, хрусталик фокусирует его на сетчатке, в задней части глаза. Клетки, называемые фоторецепторами, переводят свет в электрические импульсы, которые обрабатываются другими клетками сетчатки. После обработки сигналы передаются к клеткам ганглионов, которые доставляют информацию от сетчатки к мозгу через длинные отростки, называемые аксонами, связывающиеся вместе, чтобы составить зрительный нерв.
Фоторецепторы и обрабатывающие световые сигналы клетки отмирают при дегенеративных заболеваниях глаз. Клетки ганглионов, как правило, остаются функциональными дольше и это использует бионический имплантат, такой как Аргус II, который доставляет сигналы непосредственно к этим клеткам.
Это крошечный глазной имплантат с набором электродов. Электроды дистанционно активируются, когда сигнал передается с пары специальных очков, на которых установлена камера. Структура света, зафиксированная камерой, определяет, какие ганглиозные клетки сетчатки активируются электродами, посылая сигнал в мозг, что приводит к восприятию черно-белого изображения, состоящего из 60 точек.
При определенных условиях электрод в имплантате случайно стимулирует аксоны соседних с ним клеток. Для пользователя бионического глаза такая нецелевая стимуляция аксонов приводит к восприятию удлиненной формы вместо точки. В исследовании, опубликованном в журнале IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering, Лаззи и его коллеги описали компьютерную модель для решения этой проблемы.
Они попытались разработать форму волны электрической стимуляции, которая бы более точно нацелилась на клетку. Исследователи использовали модели для двух подтипов ганглиозных клеток сетчатки, как на одноклеточном уровне, так и в огромных сетях. Они выявили закономерность коротких импульсов, которые преимущественно направлены на тело клетки, с меньшей активацией аксонов вне цели.
В другом исследовании, данные которого были опубликованы в журнале Scientific Reports, ученые применили ту же самую систему компьютерного моделирования к тем же подтипам двух клеток, чтобы исследовать, как кодировать цвет.
Это исследование основано на более ранних исследованиях, показывающих, что люди, использующие Argus II, воспринимают изменения цвета с изменением частоты электрического сигнала - количество повторений сигнала в течение заданной длительности. Используя эту модель, Лаззи и его коллеги разработали стратегию корректировки частоты сигнала для создания восприятия синего цвета.
Помимо возможности добавления цветового зрения к бионическому глазу, кодирование с помощью оттенков может быть объединено с технологией искусственного интеллекта, так чтобы особенно важные элементы в окружении человека, такие как лица или дверные проемы, выделялись.
Хотите больше новостей? Подпишитесь на наши новости на Facebook и Вконтакте.
Источник: Keck School of Medicine