Elektryczna stymulacja siatkówki oka z rozdzielczością pojedynczych komórek zwojowych w eksperymentalnym modelu in-vitro zaawansowanej protezy dla niewidzących

Siatkówka oka – cienka warstwa tkanki nerwowej wyściełająca dno oka – jest kluczowym elementem układu wzrokowego. Widziany przez oko obraz jest w niej przetwarzany kolejno przez komórki światłoczułe, wyspecjalizowane interneurony i w końcu przez komórki zwojowe, które wysyłają do mózgu informację wizualną zakodowaną w postaci sekwencji impulsów nerwowych.

Choroby siatkówki, takie jak retinopatia barwnikowa czy zwyrodnienie plamki żółtej, prowadzą do stopniowego zaniku widzenia wskutek degeneracji komórek światłoczułych. Jednak komórki zwojowe pozostają żywe i nawet w zaawansowanym stadium choroby zachowują zdolność do generacji impulsów nerwowych i wysyłania ich do mózgu. Otwiera to możliwość zbudowania elektronicznej protezy siatkówki dla niewidomych, w której obraz z miniaturowej kamery przetwarzany jest na serie impulsów elektrycznych pobudzających komórki zwojowe siatkówki i w ten sposób dostarczających do mózgu pacjenta informację wizualną.

Pierwsze urządzenia bazujące na tej idei pojawiły się już na rynku. Ich zasadniczym ograniczeniem jest jednak niska rozdzielczość przestrzenna stymulacji elektrycznej – duże elektrody stymulują jednocześnie wiele neuronów, przez co przesyłane do mózgu informacje wizualne są mało precyzyjne, a w pewnych sytuacjach niespójne. W efekcie jakość oferowanego przez współczesne protezy sztucznego widzenia jest daleka od doskonałości.

W ramach współpracy Wydziału Fizyki i Informatyki Stosowanej AGH z Uniwersytetem Stanforda oraz Uniwersytetem Kalifornijskim w Santa Cruz staramy się odpowiedzieć na pytanie: czy możliwe jest odtworzenie w komórkach zwojowych, na drodze stymulacji elektrycznej, aktywności identycznej do tej, jaka powstaje w zdrowej siatkówce przetwarzającej złożoną informację wizualną? W badaniach wykorzystujemy unikalną aparaturę opartą na matrycy miniaturowych elektrod. Dzięki opracowanym w AGH specjalizowanym układom scalonym, nasz system pomiarowy umożliwia stymulację komórek zwojowych skomplikowanymi sekwencjami impulsów elektrycznych oraz rejestrację natychmiastowych odpowiedzi pobudzanych neuronów – jako jedyne tego typu urządzenie na świecie.

W badaniach wykorzystywana jest siatkówka makaka, bardzo podobna do siatkówki ludzkiej. Stosując złożone schematy wieloelektrodowej stymulacji elektrycznej neuronów, połączone z równoczesną rejestracją aktywności setek komórek zwojowych, poszukujemy optymalnych metod stymulacji pozwalających na niezależne pobudzanie pojedynczych neuronów. Szczególną uwagę poświęcamy kwestii redukcji pobudzania aksonów komórek zwojowych, koniecznej do uzyskania sztucznego widzenia o wysokiej jakości i stanowiącej największe wyzwanie dla tego rodzaju implantów. Ostatecznym celem projektu jest odtworzenie, w warunkach eksperymentu in-vitro, złożonych sekwencji impulsów nerwowych w populacji komórek zwojowych, zarejestrowanych wcześniej z tych komórek z użyciem realistycznej stymulacji wizualnej, z wiernością sięgającą pojedynczych impulsów nerwowych z pojedynczych neuronów.

dr inż. Paweł Hottowy

Adiunkt na Wydziale Fizyki i Informatyki Stosowanej krakowskiej AGH. Jego zainteresowania badawcze dotyczą rozwoju oraz zastosowań technologii wielokanałowej rejestracji oraz stymulacji komórek nerwowych, opartej na matrycach mikroelektrodowych oraz specjalizowanych układach scalonych. Zaprojektowane przez niego systemy pomiarowe są wykorzystywane między innymi do badań siatkówki oka, prac nad protezami dla niewidzących oraz do charakteryzacji połączeń funkcjonalnych w różnych obszarach mózgu.

Data publikacji: 25.11.2014