Biuletyn AGH
Magazyn Informacyjny Akademii Górniczo-Hutniczej
09 sierpień 2022
Strona GłównaBiuletyn AGHArchiwumKontakt
"Co oko mówi do mózgu? Perspektywy budowy elektronicznej protezy siatkówki"
30 październik 2014

Prof. dr hab. inż. Władysław Dąbrowski z Katedry Oddziaływań i Detekcji Cząstek Wydziału Fizyki i Informatyki Stosowanej wygłosił podczas inauguracji roku akademickiego 2014/2015 zajmujący wykład pt Rys. 1. 512-elektrodowy system do stymulacji elektrycznej i rejestracji sygnałów z komórek zwojowych siatkówki .

Profesor Dąbrowski przedstawił zarys współczesnych badań, których celem jest zrozumienie mechanizmów generacji i przetwarzania informacji w siatkówce i sposobu przesyłania tych informacji do kory wzrokowej i innych obszarów mózgu.

Siatkówka stanowi cienką tkankę wyścielającą wewnętrzną powierzchnię gałki ocznej, której zadaniem jest konwersja wejściowych sygnałów optycznych na sygnały elektryczne wysyłane do mózgu poprzez nerw wzrokowy. Ludzka siatkówka zawiera około 100 milionów fotoreceptorów, pokrywających powierzchnię około 10 cm2, oraz około 1 miliona komórek zwojowych, które generują ciągi impulsów elektrycznych wysyłanych do mózgu. Szczególnie interesujące pytania, na które neurobiolodzy nie znają kompletnych odpowiedzi, dotyczą, m.in. sposobu kodowania kolorów i informacji o ruchu w dynamicznie zmieniających się obrazach.

Rys. 1. 512-elektrodowy system do stymulacji elektrycznej i rejestracji sygnałów z komórek zwojowych siatkówki

Rys. 1. 512-elektrodowy system do stymulacji elektrycznej i rejestracji sygnałów z komórek zwojowych siatkówki

Biolodzy znają co najmniej 22 różne typy komórek zwojowych, ale funkcjonalność tylko kilku z nich jest obecnie w miarę dobrze rozpoznana. Badania mechanizmów przetwarzania dynamicznie zmieniających się obrazów na ciągi impulsów elektrycznych wymagają rejestracji aktywności elektrycznej możliwie wielu komórek zwojowych równocześnie, przy określonej stymulacji optycznej siatkówki w warunkach in-vitro. Im większa liczba rejestrowanych komórek, tym większe możliwości rozpoznania mechanizmów przetwarzania obrazów w siatkówce, stanowiącej żywą sieć neuronową. Przełomowym krokiem w tych badaniach było zbudowanie systemu eksperymentalnego, który umożliwia rejestrację aktywności elektrycznej komórek zwojowych z 512 elektrod równocześnie, z rozdzielczością przestrzenną rzędu 30 mikrometrów, odpowiadającą rozmiarom pojedynczych komórek zwojowych.

Zasadniczym elementem systemu jest moduł pokazany na rysunku 1. Moduł zawiera matrycę elektrod wysokiej rozdzielczości, na której umieszczana jest badana siatkówka i 8 par specjalizowanych układów scalonych, służących do rejestracji sygnałów indukowanych na elektrodach matrycy i generacji sygnałów stymulujących o zadanych wzorach czasowo-przestrzennych. Koncepcja takiego detektora, umożliwiającego obrazowanie aktywności neuronalnej siatkówki, została inspirowana naszymi doświadczeniami zdobytymi przy projektowaniu i budowie pozycjo-czułych detektorów cząstek naładowanych rozwijanych dla eksperymentów fizyki cząstek elementarnych oraz detektorów do pozycjo-czułej detekcji promieniowania rentgenowskiego. System, opracowany we współpracy fizyków z Wydziału Fizyki i Informatyki Stosowanej AGH i z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Cruz, pozwala rejestrować aktywność neuronalną kilkuset komórek zwojowych równocześnie, a więc pozwala badać algorytmy przetwarzania i kodowania informacji w siatkówce, od fotoreceptorów do komórek zwojowych. Nowa technika eksperymentalna zaowocowała kilkoma znaczącymi wynikami w dziedzinie neurobiologii, jak np. kompletna rekonstrukcja funkcjonalnych połączeń od fotoreceptorów do komórek zwojowych [1].

Opracowany system, rozbudowany o funkcje stymulacji, pozwala również prowadzić badania nad bezpośrednią stymulacją komórek zwojowych siatkówki zewnętrznymi sygnałami elektrycznymi [2–4]. Celem tych badań, prowadzonych wspólnie z grupą neurobiologów z Instytutu Salka w San Diego, jest zrozumienie mechanizmów i opracowanie techniki selektywnej stymulacji elektrycznej indywidualnych komórek zwojowych. Przeprowadzone eksperymenty pokazały, że stymulując komórki zwojowe odpowiednimi sekwencjami impulsów prądowych, możemy zmusić siatkówkę do wygenerowania z góry zadanej sekwencji sygnałów, np. takiej, jaką komórki zwojowe wygenerowałyby w odpowiedzi siatkówki na określoną stymulację optyczną [5].

Pogłębiona wiedza na temat budowy i funkcjonalności siatkówki pozwala myśleć o budowie zaawansowanej elektronicznej protezy siatkówki. W typowych schorzeniach siatkówki, jak retinopatia barwnikowa czy zwyrodnienie plamki żółtej związane z wiekiem, degeneracji ulegają fotoreceptory, podczas gdy komórki zwojowe pozostają zdrowe. Idea protezy polega więc na dostarczeniu bezpośrednio do komórek zwojowych sygnałów elektrycznych, wygenerowanych przez zewnętrzną kamerę optoelektroniczną, przetworzonych na sekwencje impulsów zrozumiałe dla mózgu, a wiec w miarę możliwości podobnych do tych, jakie wygenerowałaby zdrowa siatkówka. Z tego względu tak ważne jest zrozumienie sposobu przetwarzania informacji w siatkówce, od fotoreceptorów do komórek zwojowych, i opracowane techniki selektywnej stymulacji elektrycznej indywidualnych neuronów.

Z punktu widzenia wiedzy, którą obecnie posiadamy na temat budowy i funkcjonalności siatkówki, protezy siatkówki stosowane obecnie w próbach klinicznych są bardzo prymitywne. Przykładowo, dopuszczona do prób klinicznych proteza firmy Second Sight zawiera 60 elektrod o rozdzielczości przestrzennej 500 mikrometrów. Oznacza to, że jedna elektroda może stymulować równocześnie kilkadziesiąt komórek zwojowych różnych typów, które są odpowiedzialne za przesyłanie do mózgu informacji o bardzo różnych aspektach obrazu. Takie rozwiązanie wyklucza możliwość generacji sekwencji impulsów elektrycznych specyficznych dla poszczególnych typów komórek zwojowych. Dlatego też dotychczasowe wyniki sprowadzają się do odczuwania przez pacjentów „pewnych wrażeń wzrokowych”, dalekich od funkcjonalnego widzenia.

Prowadzone obecnie badania skupiają się na fundamentalnych zagadnieniach z dziedziny neurobiologii i neuroelektroniki, ale na horyzoncie widzimy protezę siatkówki następnej generacji. Opracowanie takiej protezy wymaga rozwiązania wielu trudnych problemów z zakresu mikroelektroniki, biokompatybilności stosowanych materiałów i chirurgii. Zasadniczymi problemami do rozwiązania pozostają jednak: kompletne zrozumienie działania siatkówki jako żywej sieci neuronowej i opracowanie metody selektywnej stymulacji elektrycznej indywidualnych komórek zwojowych.

Bibliografia

1. G.D. Field, J.L. Gauthier, A. Sher, M. Greschner, T.A. Machado, L.H. Jepson, J. Shlens, D.E. Gunning, K. Mathieson, W. Dabrowski, L. Paninski, A.M. Litke, E.J. Chichilnisky, Functional connectivity in the retina at the resolution of photoreceptors, Nature, 467 (2010) 673–677.

2. P. Hottowy, A. Skoczeń, D.E. Gunning, S. Kachiguine, K. Mathieson, A. Sher, P. Wiącek, A.M. Litke, W. Dąbrowski, Properties and application of a multichannel integrated circuit for low-artifact, patterned electrical stimulation of neural tissue, Journal of Neural Engineering, 9 (2012) 066005 (1–17).

3. L.H. Jepson, P. Hottowy, K. Mathieson, D.E. Gunning, W. Dąbrowski, A.M. Litke, E.J. Chichilnisky, Focal Electrical Stimulation of Major Ganglion Cell Types in the Primate Retina for the Design of Visual Prostheses, The Journal of Neuroscience, 33 (2013) 7194 –7205.

4. L.H. Jepson, P. Hottowy, K. Mathieson, D.E. Gunning, W. Dąbrowski, A.M. Litke, E.J. Chichilnisky, Spatially Patterned Electrical Stimulation to Enhance Resolution of Retinal Prostheses, The Journal of Neuroscience, 34 (2014) 4871–4881.

5. L.H. Jepson, P. Hottowy, G.A. Weiner, W. Dąbrowski, A.M. Litke, E.J. Chichilnisky, High-Fidelity Reproduction of Spatiotemporal Visual Signals for Retinal Prosthesis, Neuron, 83 (2014) 1–6.