W numerze AccessWorld z września 2013 r. opisaliśmy cztery przełomowe osiągnięcia w dziedzinie usprawniania słabowidzenia, w tym Implantable Miniature Telescope firmy VisionCare Ophthalmic Technologies oraz Argus II Retinal Prosthesis firmy Second Sight. Pierwsza z nich to soczewka teleskopowa wielkości ziarnka grochu, która zwiększa użyteczność widzenia u osób, które utraciły widzenie centralne w wyniku schyłkowej fazy zwyrodnienia plamki żółtej związanego z wiekiem. Argus II jest skierowany do osób z późnym stadium retinitis pigmentosa (RP). Argus II wykorzystuje bezprzewodowy sygnał do stymulacji nerwu wzrokowego bezpośrednio przez wszczepiony układ elektrod, omijając pręciki i czopki uszkodzone przez RP.
Jakkolwiek niezwykłe mogą być te rozwiązania, mają jedną wspólną przeszkodę: każde z nich zakłada, że odbiorca posiada sprawny nerw wzrokowy, który może odpowiednio przekazywać sygnały wzrokowe do mózgu w celu ich przetworzenia. Ale co, jeśli nerw wzrokowy został uszkodzony przez jaskrę, stwardnienie rozsiane lub uraz? Czy istnieje jakiś sposób, aby naprawić te najbardziej złożone i delikatne włókna nerwowe? Albo jeszcze lepiej, ominąć je całkowicie?
W tym artykule opiszemy dwa ostatnie przełomowe badania – jedno, które pokazuje potencjał regeneracji uszkodzonych nerwów wzrokowych, a drugie, system o nazwie Gennaris, który może wytwarzać wizję bez nerwu wzrokowego, a nawet samego oka.
Regeneracja nerwu wzrokowego
Nerw wzrokowy jest jednym z najważniejszych nerwów w organizmie, drugim po rdzeniu kręgowym (rdzeń kręgowy zawiera tysiące nitek nerwowych, podczas gdy nerw wzrokowy ma tylko jedną). Tak więc piętnaście lat temu, kiedy Zhigang He, profesor neurologii w Centrum Neurobiologii Bostońskiego Szpitala Dziecięcego im. F.M. Kirby’ego, założył laboratorium badające sposoby regeneracji włókien nerwowych u osób z urazami rdzenia kręgowego, zdecydował, że najlepszym miejscem do rozpoczęcia będzie próba regeneracji neuronów w uszkodzonych nerwach wzrokowych jako środek zastępczy.
Inni próbowali regeneracji lub naprawy nerwów wzrokowych. Pierwsze próby polegały na wszczepieniu kawałków nerwu kulszowego w miejsce uszkodzonego nerwu wzrokowego. Większość aksonów nie odrastała. Około osiem lat temu grupa dr He próbowała wyciąć geny, aby usunąć lub zablokować geny hamujące nowotwory. Spowodowało to pewną regenerację nerwu wzrokowego, ale zwiększyło też ryzyko zachorowania na raka. Ostatnio wraz z dr Joshuą Sanesem z Harvardu znaleźli strategię terapii genowej w celu zwiększenia aktywności czynników wzrostu, która może naśladować efekty regeneracji wywołane przez usuwanie supresorów nowotworowych. Niemniej jednak, liczba zregenerowanych aksonów za pomocą tych metod była ograniczona.
On i jego współbadacz, asystentka profesora neurologii w Boston Children’s Hospital Michela Fagiolini, poszli o krok dalej w terapii genowej. Użyli wirusa terapii genowej o nazwie AAV, aby dostarczyć trzy czynniki pobudzające reakcje czynników wzrostu do siatkówki, która jest częścią układu nerwu wzrokowego.
„Z czasem byliśmy w stanie regenerować coraz dłuższe włókna nerwowe u myszy z uszkodzonymi nerwami wzrokowymi” – relacjonuje. „Niestety, nowe włókna nerwowe nie przekazywały impulsów, znanych jako potencjały czynnościowe, przez całą drogę z oka do mózgu, więc nie było nowego widzenia.”
On i Fagiolini wytropili problem w fakcie, że nowe włókna nerwowe rosły bez osłonki tłuszczowej zwanej mieliną. Mielina izoluje włókna nerwowe i utrzymuje sygnały nerwowe na torze, podobnie jak izolacja otaczająca przewód miedziany kieruje prąd elektryczny do lampy, a nie do ścian i gniazdek.
Przechodząc do literatury medycznej, on i Fagiolini przeczytali o blokerze kanału potasowego zwanym 4-aminopirydyną (4-AP), który jest znany z poprawy przewodzenia wiadomości we włóknach nerwowych, którym brakuje wystarczającej mieliny. Rzeczywiście, 4-AP jest sprzedawany jako AMPYRA w leczeniu trudności w chodzeniu związanych ze stwardnieniem rozsianym, które również wiążą się z utratą mieliny.
„Kiedy podawaliśmy 4-TP, sygnały były w stanie pokonać odległość”, mówi Fagiolini. W oddzielnym laboratorium, w którym nie wiedziano, która z niewidomych myszy została poddana leczeniu, potwierdzono, że myszy poddane leczeniu reagowały na poruszające się paski światła, podczas gdy grupa kontrolna nie reagowała.
„Nadal pozostaje wiele do zrobienia, zanim to leczenie będzie gotowe do prób na ludziach” – mówi. Na przykład, zespół użył wirusa terapii genowej do dostarczenia czynników wzrostu, które stymulowały regenerację nerwu wzrokowego, ale He i Fagiolini wierzą, że mogą wyprodukować wstrzykiwany „koktajl” białek czynników wzrostu, który mógłby być równie skuteczny. „Próbujemy lepiej zrozumieć mechanizmy i to, jak często białka musiałyby być wstrzykiwane”, mówi He.
Nierozwiązana pozostaje również kwestia potencjalnych skutków ubocznych stosowania 4-AP w celu zwiększenia transmisji sygnału nerwu wzrokowego. Lek może powodować ataki, jeśli jest podawany przewlekle, więc He i Fagiolini zaczęli testować niezatwierdzone przez FDA pochodne 4-AP, które byłyby bezpieczniejsze przy długotrwałym stosowaniu. Pomimo pozostałych przeszkód, He i Fagiolini pozostają optymistami. „Przynajmniej teraz mamy paradygmat, którego możemy użyć, aby iść naprzód”, mówi He.
Oko umysłu
Regeneracja nerwu wzrokowego mogłaby pomóc milionom, ale co jeśli moglibyśmy ominąć nerw wzrokowy i widzieć bez niego, a nawet bez fizycznych oczu? Taki jest cel Arthura Lowery’ego, profesora inżynierii systemów elektrycznych i komputerowych na Uniwersytecie Monash w Australii. Lowery i jego zespół pracują obecnie nad Gennaris, systemem, który będzie bezpośrednio stymulował korę wzrokową mózgu, wysyłając siatkę impulsów elektrycznych, które mózg może interpretować jako rozpoznawalne wzory światła i ciemności.
Badania nad widzeniem „mózgowym” sięgają lat 60-tych. „W tamtych czasach potrzebowałeś pokoju pełnego sprzętu, aby w ogóle uzyskać jakiekolwiek wyniki”, zauważa Lowery. „Nawet jeszcze dziesięć czy piętnaście lat temu, wytworzenie siatki trzystu punktów świetlnych oznaczało przepuszczenie wiązki 300 oddzielnych przewodów z mózgu do dużej, zewnętrznej kamery wideo”. Lowery i jego zespół opierają się na tej wcześniejszej pracy, wykorzystując znaczny postęp, jaki dokonał się w ciągu ostatniej dekady w zakresie mocy przetwarzania, miniaturyzacji komponentów, bezprzewodowej transmisji danych i indukcyjnej transmisji mocy, takiej jak ta, którą obecnie można znaleźć w niektórych telefonach komórkowych, które można umieścić na szczycie ładowarki zamiast konieczności podłączania ich do prądu.
W normalnym widzeniu światło przechodzi przez źrenicę oka i soczewkę oraz pobudza pręciki i czopki, które są komórkami fotorecepcyjnymi pokrywającymi siatkówkę. Te sygnały fotochemiczne są przekształcane w impulsy nerwowe, które z kolei są przekazywane wzdłuż nerwu wzrokowego do kory wzrokowej. Tam mózg przekształca te impulsy w rozpoznawalne kształty i obrazy, inaczej zwane widzeniem.
Tak się składa, że neurony w korze wzrokowej mogą być również stymulowane przez kontakt z maleńkimi elektrodami. „Z poprzednich badań wiemy, że możemy wytwarzać błyski światła, które pojawiają się w mniej więcej tym samym miejscu za każdym razem, gdy ten sam region kory wzrokowej jest stymulowany” – stwierdza Lowery. „Jeśli uda nam się wytworzyć kilka takich błysków mniej więcej jednocześnie, możemy stworzyć podstawową siatkę światła i ciemności, którą mózg mógłby zinterpretować jako obraz”. Wyobraźmy sobie kwadrat z szesnastu żarówek tworzący literę O poprzez włączenie dwunastu żarówek na obwodzie i pozostawienie czterech środkowych wyłączonych. Albo literę L utworzoną przez kropki 1, 2 i 3 alfabetu Braille’a, z resztą komórki pozostawioną pustą.
Zespół Gennarisa ma nadzieję stworzyć właśnie taką siatkę przy użyciu maleńkich ceramicznych płytek osadzonych bezpośrednio na korze wzrokowej badanego. „Każda płytka ma w przybliżeniu 9 milimetrów kwadratowych – około jednej trzeciej cala – z czterdziestoma trzema elektrodami roboczymi na każdej płytce,” wyjaśnia Lowery. „Elektrody te wnikają na głębokość od 1,5 do 2 milimetrów w korę wzrokową, docierając do warstwy czwartej, czyli obszaru mózgu najbardziej bezpośrednio stymulowanego przez nerw wzrokowy.”
Mała kamera wideo przekazuje obraz w czasie rzeczywistym do kieszonkowej jednostki przetwarzającej. Tam specjalne algorytmy określą najistotniejsze aspekty każdego obrazu i podzielą je na działającą serię siatek światła i ciemności. Siatki te będą przesyłane bezprzewodowo do magnetycznej cewki indukcyjnej umieszczonej z tyłu głowy pacjenta, najbliżej kory wzrokowej. Cewka indukcyjna będzie w stanie zdalnie wytworzyć niewielki ładunek w każdej z elektrod, co spowoduje stymulację kory wzrokowej w taki sam sposób, jak w przypadku nerwu wzrokowego.
„Będziemy mieli przewagę nad wszczepianymi protezami siatkówki” – mówi Lowery. „Większość naszego najostrzejszego widzenia odbywa się w maleńkiej części siatkówki, bogatej w pręciki i czopki, zwanej fovea. Fovea ma rozmiar zaledwie około milimetra kwadratowego, więc protezy wewnątrzgałkowe muszą również wykorzystywać tkankę siatkówki, która jest bardziej związana z widzeniem peryferyjnym. Obszar mózgu, który faktycznie przetwarza widzenie centralne, jest jednak dwadzieścia pięć razy większy niż tkanka siatkówki, którą obsługuje, co daje nam potencjalnie dwadzieścia pięć razy większą rozdzielczość niż implant siatkówki.”
Lowery i jego zespół mają nadzieję rozpocząć pierwsze badania kliniczne do końca 2016 roku. „Planujemy zacząć od czterech płytek, ale ostatecznie mamy nadzieję zwiększyć tę liczbę do jedenastu” – stwierdza. „Mamy również nadzieję osiągnąć dziesięć klatek na sekundę w prędkości transmisji”. Według Lowery’ego, rozdzielczość mogłaby również potencjalnie zostać wielokrotnie zwiększona poprzez pokrycie elektrod specjalnymi hormonami zwanymi czynnikami neurotropowymi pochodzącymi z mózgu. „Zamiast szturchać neurony mózgu za pomocą elektrod, te substancje chemiczne faktycznie zachęcałyby neurony do sięgania po nie i nawiązywania kontaktu oraz nowych połączeń, tak jakby elektrody były innymi komórkami mózgu.”
Według Lowery’ego, realistyczne odwzorowanie otaczającego nas świata nie jest wszystkim i wszystkimi możliwościami Gennarisa. „Mamy już rozpoznawanie twarzy, które świetnie radzi sobie z identyfikacją ludzi. Wyobraźmy sobie specjalną ikonę reprezentującą naszego męża lub żonę, inną dla każdego z naszych dzieci, która mogłaby zawierać treści emocjonalne, uśmiechy, łzy i tym podobne. Znaczniki kierunku i odległości dla drzwi, wind i okien również byłyby możliwe. Moglibyśmy nawet wygenerować systemy naprowadzające przypominające światła na pasie startowym, aby pomóc w nawigacji po nieznanych korytarzach, wskazując przeszkody po drodze.”
Komentarz do tego artykułu.
- Okulary eSight i inteligentne okulary z Assisted Vision autorstwa Billa Holtona
- Help Me See: The Organization Dedicated to Eliminating Cataract Blindness Globally by Bill Holton
Więcej od tego autora:
- Cztery pojawiające się technologie poprawiające widzenie by Bill Holton
- Dzień z życia: Technologia, która pomaga osobie z upośledzeniem wzroku przez cały dzień autorstwa Billa Holtona
Dzień z życia: Technologia, która pomaga osobie z upośledzeniem wzroku przez cały dzień