Nel numero di settembre 2013 di AccessWorld, abbiamo descritto quattro progressi innovativi nel miglioramento dell’ipovisione, tra cui il mini telescopio impiantabile di VisionCare Ophthalmic Technologies e la protesi retinica Argus II di Second Sight. Il primo di questi è una lente telescopica delle dimensioni di un pisello che aumenta la visione utilizzabile degli individui che hanno perso la visione centrale a causa di una degenerazione maculare ad insorgenza senile. L’Argus II è rivolto alle persone con retinite pigmentosa (RP) all’ultimo stadio. L’Argus II utilizza un segnale wireless per stimolare il nervo ottico direttamente attraverso una serie di elettrodi impiantati, bypassando i bastoncelli e i coni danneggiati dalla RP.
Per quanto notevoli possano essere queste soluzioni, esse hanno un ostacolo in comune: ciascuna di esse presuppone che il destinatario possieda un nervo ottico funzionante che possa adeguatamente trasmettere i segnali visivi al cervello per l’elaborazione. Ma cosa succede se il nervo ottico è stato danneggiato dal glaucoma, dalla sclerosi multipla o da un trauma? Potrebbe esserci un modo per riparare queste complesse e fragili fibre nervose? O meglio ancora, bypassarle del tutto?
In questo articolo descriveremo due recenti scoperte della ricerca, una che mostra il potenziale per aiutare a rigenerare i nervi ottici danneggiati, e la seconda, un sistema chiamato Gennaris, che potrebbe produrre la visione senza il nervo ottico, o addirittura l’occhio stesso.
Rigenerare un nervo ottico
Il nervo ottico è uno dei nervi più importanti del corpo, secondo solo al midollo spinale (il midollo spinale comprende migliaia di fili nervosi mentre il nervo ottico ne ha solo uno). Così quindici anni fa, quando Zhigang He, professore di neurologia presso il Boston Children’s Hospital F.M. Kirby Neurobiology Center ha creato un laboratorio per studiare i modi per rigenerare le fibre nervose nelle persone con lesioni del midollo spinale, ha deciso che il posto migliore per iniziare sarebbe stato tentare la rigenerazione neurale nei nervi ottici danneggiati come proxy.
Altri hanno provato la rigenerazione o riparazione del nervo ottico. I primi tentativi hanno impiombato pezzi del nervo sciatico per sostituire il nervo ottico danneggiato. La maggior parte degli assoni non è ricresciuta. Circa otto anni fa, il gruppo del Dr. He ha provato l’escissione genica per eliminare o bloccare i geni che sopprimono il tumore. Questo ha indotto una certa rigenerazione del nervo ottico, ma ha anche aumentato i rischi di cancro. Il loro recente lavoro con il Dr. Joshua Sanes ad Harvard ha trovato una strategia di terapia genica per migliorare le attività del fattore di crescita, che potrebbe imitare gli effetti di rigenerazione indotti dalla cancellazione del soppressore tumorale. Tuttavia, il numero di assoni rigenerati da questi approcci era limitato.
Lui e il suo co-senior-researcher, il Boston Children’s Hospital Assistant Professor di neurologia Michela Fagiolini, hanno fatto un passo avanti nella terapia genica. Hanno usato un virus di terapia genica chiamato AAV per consegnare tre fattori per aumentare le risposte dei fattori di crescita nella retina, che fa parte del sistema del nervo ottico.
“Nel tempo siamo stati in grado di rigenerare fibre nervose sempre più lunghe nei topi con nervi ottici danneggiati”, riferisce. “Sfortunatamente, le nuove fibre neurali non trasmettevano gli impulsi, noti come potenziali d’azione, dall’occhio al cervello, quindi non c’era una nuova visione.”
Lui e Fagiolini hanno ricondotto il problema al fatto che le nuove fibre nervose crescevano senza la guaina grassa chiamata mielina. La mielina isola le fibre nervose e mantiene i segnali neurali sul binario, proprio come l’isolamento che circonda un filo di rame dirige la corrente elettrica verso la lampada invece che nelle borchie del muro e nelle prese di corrente.
Passando alla letteratura medica, lui e Fagiolini hanno letto di un bloccante dei canali del potassio chiamato 4-aminopiridina (4-AP) che è noto per migliorare la conduzione del messaggio nelle fibre nervose che mancano di sufficiente mielina. Infatti, il 4-AP è commercializzato come AMPYRA per trattare le difficoltà di deambulazione legate alla SM, che comportano anche una perdita di mielina.
“Quando abbiamo somministrato il 4-TP i segnali erano in grado di percorrere la distanza”, dice Fagiolini. Un laboratorio separato, dove non sapevano quale dei topi ciechi era stato trattato, ha confermato che i topi trattati rispondevano alle barre di luce in movimento, mentre il gruppo di controllo no.
“C’è ancora molto lavoro da fare prima che questo trattamento sia pronto per la sperimentazione umana”, dice. Per esempio, il team ha usato un virus di terapia genica per fornire i fattori di crescita che hanno stimolato la rigenerazione del nervo ottico, ma He e Fagiolini credono di poter produrre un “cocktail” iniettabile di proteine di fattori di crescita che potrebbe essere altrettanto efficace. “Stiamo cercando di capire meglio i meccanismi e quanto spesso le proteine dovrebbero essere iniettate”, dice He.
Ancora da risolvere sono i potenziali effetti collaterali dell’uso del 4-AP per aumentare la trasmissione del segnale del nervo ottico. Il farmaco può causare convulsioni se somministrato cronicamente, così He e Fagiolini hanno iniziato a testare derivati del 4-AP non approvati dalla FDA, che sarebbero più sicuri per l’uso a lungo termine. Nonostante gli ostacoli rimanenti, He e Fagiolini rimangono ottimisti. “
L’occhio della mente
Rigenerare il nervo ottico potrebbe aiutare milioni di persone, ma se potessimo bypassare del tutto il nervo ottico e vedere senza, o addirittura senza occhi fisici? Questo è l’obiettivo di Arthur Lowery, professore di ingegneria dei sistemi elettrici e informatici alla Monash University in Australia. Lowery e il suo team stanno attualmente lavorando su Gennaris, un sistema che stimolerà direttamente la corteccia visiva del cervello, inviando una griglia di impulsi elettrici che il cervello può interpretare come modelli riconoscibili di luce e buio.
La ricerca sulla visione “cerebrale” risale agli anni ’60. “A quel tempo era necessaria una stanza piena di apparecchiature per ottenere qualche risultato”, osserva Lowery. “Anche solo dieci o quindici anni fa, produrre una griglia di trecento punti di luce significava far passare un fascio di 300 fili separati dal cervello a una grande videocamera esterna”. Lowery e il suo team stanno costruendo su questo lavoro precedente, approfittando dei notevoli progressi che sono stati fatti nell’ultimo decennio nella potenza di elaborazione, nella miniaturizzazione dei componenti, nella trasmissione di dati senza fili e nella trasmissione di energia a induzione, come quella che si trova ora su alcuni telefoni cellulari che possono essere posizionati sopra il caricatore invece di aver bisogno di essere collegati alla presa. Questi segnali fotochimici sono trasformati in impulsi neurali, che a loro volta sono trasmessi lungo il nervo ottico alla corteccia visiva. Lì, il cervello trasforma questi impulsi in forme e immagini riconoscibili, altrimenti note come visione.
Come accade, i neuroni della corteccia visiva possono anche essere stimolati dal contatto con piccoli elettrodi. “Sappiamo da ricerche precedenti che possiamo produrre lampi di luce che appaiono più o meno nello stesso punto ogni volta che quella stessa regione della corteccia visiva viene stimolata”, afferma Lowery. “Se possiamo creare un certo numero di questi flash più o meno simultaneamente, possiamo creare una griglia rudimentale di luce e buio che il cervello potrebbe interpretare come un’immagine”. Immaginate un quadrato di sedici lampadine che crea la lettera O accendendo le dodici lampadine perimetrali e lasciando spente le quattro luci centrali. O una lettera L creata dai punti braille 1, 2 e 3, con il resto della cella lasciata in bianco.
Il team di Gennaris spera di creare proprio una griglia di questo tipo usando minuscole piastrelle di ceramica incastrate direttamente sulla corteccia visiva di un soggetto di test. “Ogni piastrella è di circa 9 millimetri quadrati – circa un terzo di pollice – con quarantatre elettrodi funzionanti su ogni piastrella”, spiega Lowery. “Questi elettrodi penetreranno da 1,5 a 2 millimetri nella corteccia visiva, raggiungendo quello che è noto come strato quattro, la regione del cervello più direttamente stimolata dal nervo ottico.”
Una piccola videocamera trasmetterà le immagini in tempo reale a un’unità di elaborazione tascabile. Lì, speciali algoritmi determineranno gli aspetti più essenziali di ogni immagine e li suddivideranno in una serie di griglie di luce e buio. Le griglie saranno trasmesse senza fili a una bobina d’induzione magnetica posta contro la parte posteriore della testa del paziente più vicina alla corteccia visiva. La bobina di induzione sarà in grado di generare a distanza una piccola carica in ciascuno degli elettrodi, come appropriato, che poi stimolerà la corteccia visiva nello stesso modo in cui il nervo ottico farebbe normalmente.
“Avremo effettivamente un vantaggio rispetto alle protesi retiniche impiantate”, dice Lowery. “La maggior parte della nostra visione più nitida ha luogo in una minuscola porzione della retina ricca di bastoncelli e coni nota come fovea. La fovea è grande solo circa un millimetro quadrato, quindi le protesi intraoculari devono anche fare uso del tessuto retinico più associato alla visione periferica. L’area del cervello che effettivamente elabora la visione centrale è venticinque volte più grande del tessuto retinico che serve, tuttavia, che ci dà potenzialmente venticinque volte la risoluzione di un impianto retinico.”
Lowery e il suo team sperano di avviare i loro primi test clinici entro la fine del 2016. “Abbiamo intenzione di iniziare con quattro fotogrammi, ma alla fine speriamo di aumentare questo numero a undici”, afferma. “Speriamo anche di raggiungere dieci fotogrammi al secondo nella velocità di trasmissione”. Secondo Lowery, la risoluzione potrebbe anche essere potenzialmente migliorata molte volte rivestendo gli elettrodi con speciali ormoni chiamati fattori neurotropici derivati dal cervello. “Invece di punzecchiare i neuroni del cervello con gli elettrodi, queste sostanze chimiche incoraggerebbero effettivamente i neuroni a raggiungere e creare contatti e nuove connessioni, come se gli elettrodi fossero altre cellule del cervello.”
Anche secondo Lowery, le rappresentazioni realistiche del mondo che ci circonda non sono l’essere tutto e tutti del potenziale di Gennaris. “Abbiamo già il riconoscimento facciale che fa un ottimo lavoro di identificazione delle persone. Immaginate un’icona speciale che rappresenti vostro marito o vostra moglie, altre per ciascuno dei vostri figli che potrebbero includere contenuti emotivi, sorrisi, lacrime e simili. Sarebbero possibili anche indicatori di direzione e distanza per porte, ascensori e finestre. Potremmo anche generare sistemi di guida simili a luci di pista per aiutare a navigare in un labirinto di corridoi sconosciuti, indicando gli ostacoli lungo la strada.”
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