Olho biônico - mitos e realidade

Você pode imaginar como uma pessoa se sente, que não vê ou quase não vê o mundo ao seu redor? Essa condição é chamada cegueira - a incapacidade de perceber estímulos visuais devido a distúrbios patológicos no próprio olho, nos nervos ópticos ou no cérebro. Em 1972, a Organização Mundial da Saúde (OMS) adotou a seguinte definição: uma pessoa é considerada cega se a acuidade da visão central sob condições de correção máxima não exceder 3/60. Com essa visão, uma pessoa em condições de luz do dia com correção óptica máxima não consegue contar os dedos a uma distância de 3 metros.

Assim, para tais casos, foi proposta a idéia de estimulação elétrica da retina ou córtex visual, a criação de uma prótese que imita os processos reais de transmissão de sinais elétricos pelo mecanismo de ação.


Existem várias opções para implantes eletrônicos, a cada ano surgem novas idéias, mas o termo "Olho Biônico" foi desenvolvido por Daniel Palanker, um funcionário da Universidade de Stanford e seu grupo de pesquisa "Física biomédica e tecnologias oftálmicas".

A implantação do modelo de olho biônico Argus II (a propósito, o único modelo que tem a marca da UE, mas não é certificada na Rússia) foi realizada na Rússia em julho de 2017 para um paciente. E ouvimos de todas as fontes de transmissão televisiva - agora uma pessoa poderá ver o mundo como antes. Centenas de pessoas pedem para colocar um olho biônico e outras pedem para "implantar" chips para uma super visão.

Então, o que temos hoje e um sonho pode se tornar realidade ao ver o mundo depois de perder de vista?

ASPECTOS BIOLÓGICOS DAS PRÓTESES DE VAREJO

As próteses biônicas são chamadas de elementos implantáveis ​​de partes do corpo humano, com aparência e função semelhantes a esses órgãos ou membros. Hoje, as pessoas são ajudadas com sucesso em uma vida plena por braços biônicos, pernas, corações e órgãos auditivos. O objetivo de criar um olho eletrônico é ajudar os deficientes visuais com problemas da retina ou nervo óptico. Os dispositivos implantados em vez de uma retina danificada devem substituir milhões de células fotorreceptoras do olho, se não 100%.
A tecnologia para os olhos é semelhante à utilizada nas próteses auditivas que ajudam os surdos a ouvir. Graças a isso, é menos provável que os pacientes percam a visão residual, e aqueles que perderam a visão são capazes de ver a luz e têm pelo menos alguma capacidade de navegar no espaço por conta própria.

ASPECTOS TECNOLÓGICOS

O princípio geral de ação do olho eletrônico é o seguinte: uma câmera em miniatura é incorporada a óculos especiais, a partir dela são transmitidas informações sobre a imagem ao dispositivo, que converte a imagem em um sinal eletrônico e a envia para um transmissor especial, que por sua vez envia um sinal eletrônico para o olho ou cérebro implantado o receptor, ou a informação é transmitida através de pequenos fios aos eletrodos conectados à retina do olho, eles estimulam os nervos remanescentes da retina, enviando impulsos elétricos ao cérebro através cortar nervos ópticos. O dispositivo foi projetado para compensar as sensações visuais perdidas com perda de visão completa ou incompleta.

As principais condições para a operação bem-sucedida do sistema:

1. A presença no olho e no cérebro de um paciente de uma porção de células nervosas vivas.
2. Os pacientes devem ser pessoas que já viram normalmente, pois alguém que é cego de nascença não poderá usar esses dispositivos. Pessoas adequadas que há muito tempo viram e têm uma rica experiência visual. Como resultado, eles vêem pouco, mas têm idéias sobre objetos e adivinham que tipo de objeto é. Em suma, o córtex cerebral e a posse de inteligência suficiente devem ser desenvolvidos.
3. E, é claro, quanto mais pixels houver no chip, mais nítida será a imagem resultante.
   
   
   
4. Longo prazo de operação - embora ninguém saiba o prazo de uso desses dispositivos. A primeira implantação de olhos biônicos na Alemanha terminou no fato de que após um ano eles foram removidos para todos os pacientes. Mesmo aqueles que viram alguma coisa. Isso foi escrito até na imprensa alemã.
5. Maneira tecnológica de recarregar. Agora eles trabalham no princípio da indução, não nas baterias. Carregado como uma escova de dentes elétrica.
6. Ao longo do caminho, a questão da oxidação, aquecimento etc. deve ser abordada. Por exemplo, uma estrutura de orifício após a implantação pode permitir que as células nervosas da retina fluam automaticamente das superfícies superior e inferior do fotosensor através das cavidades e se conectem, além de reduzir o aquecimento dos pixels e aumentar seu número.

ASPECTOS MICROSURGICOS DA PRÓTESE

Estas são as operações mais extensas. Se você descreve, por exemplo, a implantação de um olho biônico sub-retiniano (localizado abaixo da retina), é necessário levantar completamente a retina, fazer uma retinectomia extensa (cortar parte da retina), instalar esse chip sob a retina, costurar a retina com unhas da retina, colar a retina com coagulação a laser e preencher com óleo de silicone . O tamponamento de silicone é necessário, caso contrário, a PVR (vitreorretinopatia proliferativa) aparecerá instantaneamente e ocorrerá descolamento. Sim, também não deve haver uma lente própria ou deve ser substituída anteriormente por uma artificial.

Para a operação, são necessárias ferramentas especiais com pontas de silicone suaves. Essa é uma operação completamente difícil; além disso, um cirurgião orofacial ou ENT ainda é necessário - eles trazem eletrodos para a pele. E acontece que esse dispositivo - um chip dentro do olho e, nas mãos dele, o tamanho de um telefone celular, com o qual você pode alterar a intensidade do sinal, ele se conecta aos eletrodos subcutâneos. Um oftalmologista-cirurgião durante a operação não é suficiente - você precisa de ajuda de outras disciplinas, a operação dura 6 horas.

ASPECTOS ECONÔMICOS DA PRÓTESE

1. Em primeiro lugar, é caro. Somente o dispositivo custa cerca de 150 mil dólares, ou seja, quase 8,5 milhões de rublos. E todo o tratamento de um desses pacientes pode chegar a 10 milhões de rublos. Este é um modelo de Argus II. Hoje, em alguns países, por exemplo, na Alemanha, essa operação é paga por seguro.
2. As empresas envolvidas no desenvolvimento e produção em todo o mundo vivem de subsídios estatais, de doações. É ótimo - essas coisas devem ser suportadas, caso contrário não haverá desenvolvimento.
3. Não há certificado na Rússia para nenhum dos dispositivos listados abaixo.

ASPECTOS MÉDICOS DA PRÓTESE

1. Os resultados são bastante modestos - após a operação, essas pessoas não podem ser chamadas de vistas, elas veem um máximo de 0,05, ou seja, eles podem ver os contornos e determinar a direção do movimento da sombra, eles não distinguem cores, apenas aqueles que são lembrados da antiga vida "avistada" podem ser distinguidos, por exemplo: "aha - isso provavelmente é uma banana, porque é semicircular. Eles vêem que algo está se movendo sobre eles, eles podem adivinhar que essa é uma pessoa, mas seus rostos não podem ser distinguidos.

2. De que doenças o olho biônico pode se beneficiar?
Os primeiros pacientes são pacientes com retinite pigmentoza, doença com desaparecimento primário de fotorreceptores e atrofia secundária do nervo óptico. Na Rússia, existem 20 a 30 mil desses pacientes, na Alemanha - apenas alguns milhares.

Em seguida, estão os pacientes com degeneração macular atrófica geográfica. Esta é uma patologia ocular relacionada à idade extremamente comum.
O terceiro serão pacientes com glaucoma. O glaucoma ainda não foi tratado, uma vez que a atrofia do nervo óptico, neste caso, é primária, portanto o método de transmissão deve ser diferente - ignorando o nervo óptico.

Diabetes é o problema mais difícil de resolver. Um dos métodos para o tratamento de alterações diabéticas na retina é a coagulação a laser em toda a superfície. Após esse procedimento, é tecnicamente impossível elevar a retina devido à coagulação a laser - isso resulta em uma "peneira". E se não for feito com laser, a situação não é melhor: geralmente o olho está tão danificado que a implantação neste caso é inútil.

3. Infelizmente, o atual protótipo do olho biônico não permite que as pessoas vejam o mundo ao nosso redor como o vemos. Seu objetivo é se mover de forma independente, sem ajuda externa. O uso em massa dessa tecnologia ainda está longe, mas os cientistas darão esperança às pessoas que perderam a visão.

PROJETOS ATUAIS DE “OLHOS BIONICOS”

Nas últimas décadas, cientistas de diferentes países têm trabalhado nas idéias dos olhos eletrônicos biônicos. Cada vez que a tecnologia melhora, ninguém ainda submeteu seu produto ao mercado para uso em massa.

1. Prótese retiniana Argus

A Argus Retinal Denture é um projeto americano bastante comercializado. No primeiro modelo, ele foi desenvolvido por uma equipe de pesquisadores no início dos anos 90: de origem paquistanesa, oftalmologista Mark Hameyun, Evgen Deyan, engenheiro Howard Phillips, bioengenheiro Ventai Lew e Robert Greenberg. O primeiro modelo, lançado no final dos anos 90, pela Second Sight possuía um total de 16 eletrodos.

Os ensaios de campo da primeira versão da retina biônica foram realizados por Mark Hameyun para seis pacientes com perda de visão devido à retinite pigmentosa no período de 2002 a 2004. A retinite pigmentosa é uma doença incurável na qual uma pessoa perde a visão. É observado em cerca de um caso para cada três mil e meio de pessoas.


Vista da unidade externa Argus II

Os pacientes que foram implantados com um olho biônico mostraram a capacidade não apenas de distinguir entre luz e movimento, mas também de identificar objetos do tamanho de uma caneca para chá ou até uma faca.
O dispositivo de teste foi aprimorado - em vez de dezesseis eletrodos fotossensíveis, sessenta eletrodos foram montados nele e denominados Argus II. Em 2007, um estudo multicêntrico foi iniciado em 10 centros em 4 países dos EUA e da Europa - um total de 30 pacientes. Em 2012, o Argus II recebeu permissão para uso comercial na Europa, um ano depois em 2013 - nos Estados Unidos. Não há permissão na Rússia.

Até hoje, esses estudos são subsidiados por fundos estatais. Nos EUA, há três deles - o Instituto Nacional do Olho, o Departamento de Energia e a National Science Foundation, além de vários laboratórios de pesquisa.


Parece um chip na superfície da retina

2. Prótese visual baseada em microssistema (MIVP)

O modelo da prótese foi projetado por Claude Veraart, da Universidade de Louvain, na forma de um manguito espiral de eletrodos ao redor do nervo óptico na parte posterior do olho. Ele se conecta a um estimulador implantado em uma pequena fossa no crânio. O estimulador recebe sinais de uma câmera externa, que se traduz em sinais elétricos que estimulam diretamente o nervo óptico.


Esquema MIVP

3. Telescópio miniatura implantável

De fato, esse dispositivo não pode ser chamado de “prótese retiniana”, porque esse telescópio é implantado na câmara posterior do olho e funciona como uma lupa que amplia a imagem retiniana 2,2 ou 2,7 vezes, o que permite reduzir o efeito no gado (pontos cegos) na parte central do campo visual . É implantado em apenas um olho, uma vez que a presença de um telescópio prejudica a visão periférica. O segundo olho funciona para a periferia. Implantado através de uma incisão corneana bastante grande.

A propósito, um princípio semelhante é usado em lentes intra-oculares Shariott adicionais. Tenho a maior experiência em implantar essas lentes na Rússia e os pacientes estão satisfeitos com os resultados. Nesse caso, a facoemulsificação da catarata é realizada primeiro. Embora isso, é claro, não seja um olho biônico a 100%.

Mais sobre isso nas postagens anteriores:

• Catarata: está esperando por você pessoalmente (se você sobreviver, é claro)
• Implante uma lente artificial (você precisará dela após 60 anos)

Sistema telescópico para a câmara posterior do olho

4. Projeto MPDA Alpha IMS de Tübingen

Em 1995, o desenvolvimento de próteses da retina sub-retiniana começou na Clínica Oftalmológica da Universidade de Tübingen. Um chip com microfotodiodos foi colocado sob a retina, que detectou a luz e a transformou em sinais elétricos que estimulam as células ganglionares, como o processo natural nos fotorreceptores de uma retina intacta.

Obviamente, os fotorreceptores são muitas vezes mais sensíveis que os fotodiodos artificiais, portanto, eles exigiram amplificação especial.

As primeiras experiências com micro-porcos e coelhos foram iniciadas em 2000 e apenas em 2009 foram implantados implantes em 11 pacientes como parte de um estudo clínico. Os primeiros resultados foram animadores - a maioria dos pacientes conseguiu distinguir o dia da noite, alguns até conseguiram reconhecer objetos - um copo, uma colher, monitorar o movimento de objetos grandes. A propósito, o destino posterior desses pacientes era triste - para todos os participantes do experimento, mesmo aqueles que viram alguma coisa, de acordo com o contrato assinado, os “olhos biônicos” foram removidos e retornaram ao seu estado original.

Até o momento, o Alpha IMS, fabricado pela Retina Implant AG Germany, possui 1.500 eletrodos, tamanho 3 × 3 mm, espessura de 70 mícrons. Após a instalação sob a retina, isso permite que quase todos os pacientes obtenham algum grau de restauração da percepção da luz.

Tecnicamente, essa complexa operação na Alemanha é realizada apenas em três centros: em Aachen, em Tübingen e Leipzig. Como resultado, isso é feito por cirurgiões da chamada escola de Colônia, estudantes do professor de cirurgião vitreorretiniano Heinemann, que, infelizmente, morreram de leucemia muito cedo, mas todos os seus alunos se tornaram chefes de departamentos em Tübingen, Leipzig e Aachen.

Esse grupo de cientistas troca experiências, realiza pesquisa e desenvolvimento conjunto, esses cirurgiões (em Aachen - Professor Walter (esse é o sobrenome), em Tübingen - Professor Bartz-Schmitz) têm mais experiência trabalhando com olhos biônicos, porque, neste caso, 7-8 A implantação -10 é considerada uma ótima experiência.


Alpha IMS no fundo

5. Implante de retina de Harvard / MIT

Joseph Rizzo e John Wyatt, de Massachusetts, começaram a explorar a possibilidade de criar uma prótese retiniana em 1989 e realizaram testes de estimulação em voluntários cegos entre 1998 e 2000. Hoje, essa é a idéia de criar um neuroestimulador sub-retiniano sem fio minimamente invasivo, consistindo de uma massa de eletrodos que é colocada sob a retina no espaço sub-retiniano e recebe sinais de imagem de uma câmera montada em um par de óculos. O chip estimulador decodifica os dados da imagem da câmera e estimula as células ganglionares da retina, respectivamente. A prótese de segunda geração coleta dados e os transfere para o implante através de campos de radiofrequência a partir de uma bobina de transmissores montados em óculos. Uma bobina do receptor secundário é costurada ao redor da íris.


Implante de retina modelo MIT

6. Retina de silício artificial (ASR)

Os irmãos Alan Chow e Vincent Chow desenvolveram um microchip contendo 3.500 fotodiodos que detectam a luz e a convertem em impulsos elétricos que estimulam as células ganglionares saudáveis ​​da retina. A "retina artificial de silicone" não requer o uso de dispositivos externos. O microchip ASR é um chip de silício com um diâmetro de 2 mm (o mesmo conceito dos chips de computador), 25 mícrons de espessura, contendo ~ 5000 células solares microscópicas chamadas "microfotododiodos", cada uma com seu próprio eletrodo estimulador.


Circuito ASR

7. Prótese fotovoltaica da retina

Daniel Palanker e sua equipe na Universidade de Stanford desenvolveram um sistema fotovoltaico, que também é o "olho biônico". O sistema inclui um fotodiodo sub-retiniano e um sistema de imagem de projeção infravermelha montado em óculos de vídeo.

As informações da câmera de vídeo são processadas no dispositivo e exibidas em uma imagem de vídeo infravermelha pulsada (850-915 nm). Uma imagem infravermelha é projetada na retina através da ótica natural do olho e ativa os fotodiodos no implante sub-retiniano, que convertem a luz em uma corrente elétrica bifásica pulsada em cada pixel.

A intensidade do sinal pode ser aumentada ainda mais, aumentando a tensão total fornecida pelo inversor de rádio frequência da fonte de energia implantável.

A semelhança entre eletrodos e células neurais, necessária para estimular a alta resolução, pode ser alcançada usando o efeito da migração da retina.


Modelo Palanquer

8. Visão biônica da Austrália

Uma equipe australiana liderada pelo professor Anthony Burkitt está desenvolvendo duas próteses retinianas.

O dispositivo Wide-View combina novas tecnologias com materiais que foram utilizados com sucesso para outros implantes clínicos. Essa abordagem inclui um microchip com 98 eletrodos estimulantes e visa aumentar a mobilidade do paciente para ajudá-lo a se mover com segurança em seu ambiente. Este implante será colocado no espaço supracoróide. Os primeiros testes com este dispositivo começaram em 2013.

Bionic Vision Australia é um implante de microchip com 1.024 eletrodos. Este implante é colocado no espaço supracoróide. Cada protótipo consiste em uma câmera acoplada a um par de óculos, que envia um sinal ao microchip implantado, onde é convertido em impulsos elétricos para estimular os neurônios retinianos saudáveis ​​restantes. Esta informação é então transmitida ao nervo óptico e aos centros de processamento cerebral.

O Conselho de Pesquisa Australiano concedeu à Bionic Vision Australia uma concessão de US $ 42 milhões em dezembro de 2009, e o consórcio foi formalmente lançado em março de 2010. A Bionic Vision Australia reúne uma equipe multidisciplinar, muitos dos quais possuem uma vasta experiência no desenvolvimento de dispositivos médicos, como o “ouvido biônico”.


Modelo Bionic Vision Australia

Graças a pesquisadores do Bionics Institute (Melbourne, Austrália) e à evok3d trabalhando no olho biônico, pessoas com distrofia de pigmentos da retina e degeneração molecular relacionada à idade poderão restaurar a visão a longo prazo.Para realizar os procedimentos de restauração, são necessárias as células ganglionares remanescentes no paciente, um nervo óptico saudável e uma zona visual saudável do córtex cerebral. Nesse caso, uma pessoa tem a oportunidade de recuperar a visão.

Para fazer um protótipo do olho e moldes para moldá-lo, os cientistas do Institute of Bionics procuraram a Evok3d, uma empresa especializada em serviços 3D, e usaram a impressora 3D ProJet 1200 para imprimir “olhos artificiais”.

Demorou apenas quatro horas para imprimir protótipo no ProJet 1200, antes do advento da impressão 3D, levava semanas ou até meses para produzi-lo. Foi assim que a impressão 3D acelerou o processo de pesquisa e produção.

O sistema visual biônico inclui uma câmera que transmite sinais de rádio para um microchip localizado na parte de trás do olho. Esses sinais se transformam em impulsos elétricos que estimulam as células da retina e do nervo óptico. Em seguida, eles são transmitidos para as zonas visuais do córtex cerebral e convertidos na imagem que o paciente vê.

9. Dobelle Eye

Função semelhante ao dispositivo Harvard / MIT (6), exceto por um microcircuito estimulador, que é implantado diretamente no cérebro no córtex visual primário, e não na retina. As primeiras impressões do implante não foram ruins. Mesmo no estágio de desenvolvimento, após a morte de Dobel, foi decidido transformar esse projeto de um projeto comercial em um projeto financiado pelo Estado.


Diagrama do olho de Dobelle

10. Prótese visual intracortical

Um laboratório de prótese neural do Instituto de Tecnologia de Illinois em Chicago está desenvolvendo uma prótese visual usando eletrodos intracorticais. Em princípio, da mesma forma que o sistema Dobel, o uso de eletrodos intracorticais pode aumentar significativamente a resolução espacial nos sinais de estimulação (mais eletrodos por unidade de área). Além disso, um sistema de telemetria sem fio está sendo desenvolvido para eliminar a necessidade de fios transcranianos (intracranianos). Eletrodos revestidos com uma camada de filme de óxido de irídio ativado (AIROF) serão implantados no córtex visual localizado no lobo occipital do cérebro. A unidade externa captura a imagem, processa e gera instruções, que serão transmitidas aos módulos implantados por meio de um link telemétrico. O circuito decodifica instruções e estimula eletrodos,por sua vez, estimulando o córtex visual. O grupo está desenvolvendo sensores para um sistema externo de captura e processamento de imagens para acompanhar módulos implantáveis ​​especializados integrados ao sistema. Atualmente, estudos em animais e estudos psicofísicos humanos estão em andamento para testar a viabilidade da implantação em voluntários.


Chip em um fundo de moeda

TOTAL

Agora, tudo está no estágio, mesmo que não seja primário, mas com um desenvolvimento tão secundário que não se fala em exploração em massa e na solução de todos os problemas. Poucas pessoas foram operadas e não há como falar sobre produção em massa. Atualmente, esse ainda é um estágio de desenvolvimento.

O primeiro trabalho começou há mais de 20 anos. Em 2000-2001, algo começou a acontecer em ratos. Atualmente, recebemos os primeiros resultados em humanos. Essa é a velocidade.

Enquanto houver algo sério, outros vinte anos podem passar. Estamos em um estágio muito, muito inicial, no qual há um primeiro efeito positivo - reconhecimento de contornos, luzes e nem todos - até que eles possam prever quem isso ajudará e quem não.
Os cirurgiões envolvidos nessas experiências - contam com os dedos.

A implantação de uma prótese é apenas para fins publicitários. Esses trabalhos devem ser realizados por pessoas que tenham a oportunidade de realizar 100 a 200 operações por ano, dentro da estrutura de uma equipe do projeto, para que apareça uma massa crítica. Depois, haverá uma compreensão de quando esperar um efeito. Tais programas devem ser subsidiados pelo orçamento ou por fundos especializados.

Embora ainda não exista um modelo perfeito, todos os existentes precisam ser aprimorados, os cientistas acreditam que, no futuro, o olho eletrônico poderá substituir a função das células da retina e ajudar as pessoas a ganharem a menor capacidade de enxergar com doenças como retinite pigmentosa, degeneração macular, cegueira senil e glaucoma.

Se você tem suas próprias idéias sobre como mais pode usar sua tecnologia para restaurar sua visão para as pessoas (embora ainda seja difícil de implementar) - sugerimos discuti-las abaixo.

E a história com lentes de contato biônicas, o potencial para editar o genoma, sobre como você pode ouvir as cores através de algo implantado no cérebro - nos posts a seguir.