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Decodificare l'occhio umano
Le retine artificiali sono già in studi clinici sull'uomo presso l'Università della California del sud, dove hanno aiutato i pazienti non vedenti a distinguere i muri dalle porte e persino a guardare le partite di calcio, anche se come sfocature di movimento. Ma avvicinarsi alla visione normale e possibilmente consentire alle persone di leggere richiederà dispositivi in grado di fornire corrente elettrica con un controllo e una precisione molto maggiori. Un nuovo chip densamente zeppo di elettrodi, sviluppato da scienziati dell'Università della California, Santa Cruz (UCSC), è il primo passo in quella direzione.
Banco di prova: Un array di 512 elettrodi (cerchio d'oro), modellato sui rilevatori utilizzati per catturare le particelle nella fisica delle alte energie, sta aiutando a decifrare il codice neurale della retina. I risultati aiuteranno nella progettazione di future protesi retiniche.
Attualmente utilizzato nella ricerca, il chip può stimolare e registrare da singole cellule in campioni retinici. La tecnologia fornirà informazioni su come la retina codifica le informazioni e su come imitare tale codifica: lezioni che saranno cruciali nello sviluppo della prossima generazione di impianti retinici. Più avanti, una versione della tecnologia potrebbe essere utilizzata per inviare informazioni visive lungo il nervo ottico.
La retina è un dispositivo di elaborazione delle informazioni visive molto sofisticato, afferma Alan Like , un fisico della UCSC che sta applicando la sua esperienza alla neurobiologia. Affinché un paziente umano un giorno si avvicini al normale funzionamento visivo, come la lettura, è necessario avere un livello di controllo molto accurato.
La retina è un sottile strato di cellule nella parte posteriore dell'occhio; le cellule fotorecettrici nella retina rilevano la luce e inviano segnali alle cellule gangliari retiniche, che quindi trasmettono i segnali al cervello attraverso il nervo ottico. Nella degenerazione maculare e nella retinite pigmentosa, due delle principali cause di cecità, le cellule dei fotorecettori sono danneggiate, ma le restanti cellule gangliari della retina sono lasciate in gran parte intatte. Le retine artificiali, che si basano su una fotocamera esterna per acquisire informazioni visive, sono costituite da un processore che traduce tali informazioni in un codice elettrico intelligibile alle cellule nervose dell'occhio e da un chip punteggiato da minuscoli elettrodi che trasmettono i segnali elettrici alla retina cellule gangliari.
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Visualizza le immagini di una retina artificiale e il suo effetto sulla vista.
Litke e i suoi collaboratori hanno modellato il loro chip sui rivelatori di microchip di silicio che allineano i supercollider per catturare segni di particelle subatomiche sfuggenti, ad alta energia, come il bosone di Higgs. Utilizzando comuni tecniche di fabbricazione di circuiti integrati, i ricercatori hanno costruito su misura più di 500 elettrodi e amplificatori su una piccola striscia di vetro. Sono disponibili altri sistemi commerciali di registrazione multi-elettrodo, ma il team della UCSC ha davvero spinto la tecnologia in avanti creando un sistema con la capacità di registrare molte più risposte neurali, afferma Matt McMahon, uno scienziato presso Seconda vista , l'azienda con sede a Sylmar, in California, che sta sviluppando le protesi retiniche utilizzate nello studio USC. Second Sight utilizza il dispositivo di Litke per informare la progettazione di future protesi. Il dispositivo di prima generazione dell'azienda aveva 16 elettrodi, il dispositivo di seconda generazione attualmente in sperimentazione umana ne ha 60 e una versione da 200 elettrodi è in fase di sviluppo. (Vedi Impianto retinico di nuova generazione.)
Con il dispositivo UCSC, gli scienziati possono controllare con precisione le singole cellule gangliari della retina, una capacità che sarà fondamentale negli impianti di prossima generazione. Uno dei motivi per cui le protesi attualmente in fase di sperimentazione umana hanno una risoluzione limitata è che stimolano centinaia di cellule contemporaneamente. (Il diametro degli elettrodi è un ordine di grandezza maggiore di quello della maggior parte delle cellule.) Gli elettrodi di cinque micrometri di diametro nel chip di Litke sono alla pari con le dimensioni delle cellule gangliari retiniche, consentendo loro di stimolare le singole cellule. I ricercatori hanno precedentemente dimostrato di poter controllare contemporaneamente più celle con una versione del chip da 60 elettrodi e stanno sviluppando una versione con 512 elettrodi.
Ora che gli scienziati hanno creato una tecnologia con un livello di controllo così preciso, la stanno usando per studiare il linguaggio della retina, un linguaggio che sperano che le protesi alla fine saranno in grado di parlare. Mentre la retina è spesso paragonata a una macchina fotografica, in realtà è molto più complicata. I segnali luminosi vengono catturati ed elaborati nella retina; le sequenze di scariche elettriche inviate al cervello dai vari e distinti tipi di cellule gangliari retiniche codificano diversi aspetti del campo visivo, come movimento, schemi spaziali, colore. Le attuali protesi utilizzano un codice semplificato e quindi perdono informazioni, così come il codice Morse perde le intonazioni sfumate della parola parlata e le espressioni facciali di chi parla. Quali sono i modelli che emulano davvero ciò che farebbe la retina sana? chiede Alexander Sher, un assistente ricercatore alla UCSC che sta collaborando con Litke. Se arrivi al punto in cui puoi stimolare singole cellule e sai come le singole cellule codificano le informazioni, puoi simularle esattamente, o quasi esattamente.
Gli scienziati di Second Sight affermano che le lezioni apprese da questi studi saranno cruciali per lo sviluppo delle protesi di prossima generazione. Ma trasformare il dispositivo dei ricercatori dell'UCSC in un impianto adatto all'occhio umano sarà una sfida. Molte considerazioni tecniche ci impediscono di saltare su elettrodi davvero minuscoli, afferma McMahon. Ciò richiederà ulteriori sviluppi nell'elettronica, nel packaging e nel software.