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Decodificando el ojo humano
Las retinas artificiales ya se encuentran en ensayos clínicos en humanos en la Universidad del Sur de California, donde han ayudado a los pacientes ciegos a distinguir las paredes de las puertas e incluso a ver partidos de fútbol, aunque como desenfoques de movimiento. Pero aproximarse a la visión normal, y posiblemente permitir que las personas lean, requerirá dispositivos que puedan suministrar corriente eléctrica con mucho mayor control y precisión. Un nuevo chip repleto de electrodos, desarrollado por científicos de la Universidad de California, Santa Cruz (UCSC), es el primer paso en esa dirección.
Banco de pruebas: Una matriz de 512 electrodos (círculo dorado), modelada a partir de los detectores utilizados para capturar partículas en la física de altas energías, está ayudando a descifrar el código neuronal de la retina. Los hallazgos ayudarán en el diseño de prótesis retinianas futuras.
Actualmente se utiliza en investigación, el chip puede estimular y registrar células individuales en muestras de retina. La tecnología proporcionará información sobre cómo la retina codifica la información y cómo imitar esa codificación, lecciones que serán cruciales en el desarrollo de la próxima generación de implantes de retina. Más adelante, se podría usar alguna versión de la tecnología para enviar información visual por el nervio óptico.
La retina es un dispositivo de procesamiento de información visual muy sofisticado, dice Alan Litke , físico de UCSC que aplica su experiencia a la neurobiología. Para que un paciente humano se acerque algún día al funcionamiento visual normal, como la lectura, es necesario tener un nivel de control muy preciso.
La retina es una capa delgada de células en la parte posterior del ojo; Las células fotorreceptoras de la retina detectan la luz y envían señales a las células ganglionares de la retina, que luego transmiten las señales al cerebro a través del nervio óptico. En la degeneración macular y la retinitis pigmentosa, dos causas principales de ceguera, las células fotorreceptoras están dañadas, pero las células ganglionares retinianas restantes quedan prácticamente intactas. Las retinas artificiales, que dependen de una cámara externa para capturar información visual, consisten en un procesador que traduce esa información en un código eléctrico inteligible para las células nerviosas del ojo, y un chip salpicado de diminutos electrodos que transmiten las señales eléctricas a la retina. celulas ganglionares.
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Vea imágenes de una retina artificial y su efecto en la visión.
Litke y sus colaboradores modelaron su chip a partir de los detectores de microchip de silicio que alinean los supercolisionadores para capturar signos de partículas subatómicas elusivas y de alta energía, como el bosón de Higgs. Usando técnicas comunes de fabricación de circuitos integrados, los investigadores construyeron a medida más de 500 electrodos y amplificadores en una pequeña tira de vidrio. Hay otros sistemas comerciales de grabación de múltiples electrodos disponibles, pero el equipo de UCSC realmente ha impulsado la tecnología al crear un sistema con la capacidad de registrar muchas más respuestas neuronales, dice Matt McMahon, científico de Segunda señal , la empresa con sede en Sylmar, CA, que está desarrollando las prótesis de retina utilizadas en el estudio de la USC. Second Sight está utilizando el dispositivo de Litke para informar el diseño de prótesis futuras. El dispositivo de primera generación de la compañía tenía 16 electrodos, el dispositivo de segunda generación que se encuentra actualmente en ensayos en humanos tiene 60 y se está desarrollando una versión de 200 electrodos. (Consulte Implante de retina de próxima generación).
Con el dispositivo UCSC, los científicos pueden controlar con precisión las células ganglionares de la retina individuales, una capacidad que será clave en los implantes de próxima generación. Una de las razones por las que las prótesis que se están probando actualmente en seres humanos tienen una resolución limitada es que estimulan cientos de células simultáneamente. (El diámetro de los electrodos es un orden de magnitud mayor que el de la mayoría de las células). Los electrodos de cinco micrómetros de diámetro en el chip de Litke están a la par del tamaño de las células ganglionares de la retina, lo que les permite estimular células individuales. Los investigadores demostraron previamente que podían controlar simultáneamente múltiples celdas con una versión del chip de 60 electrodos, y están desarrollando una versión con 512 electrodos.
Ahora que los científicos han creado una tecnología con un nivel de control tan preciso, la están utilizando para estudiar el lenguaje de la retina, un lenguaje que esperan que las prótesis finalmente puedan hablar. Si bien la retina a menudo se compara con una cámara, en realidad es mucho más complicada. Las señales de luz se capturan y procesan en la retina; las secuencias de descargas eléctricas enviadas al cerebro por los distintos y distintos tipos de células ganglionares de la retina codifican diferentes aspectos del campo visual, como el movimiento, los patrones espaciales, el color. Las prótesis actuales utilizan un código simplificado y, por lo tanto, pierden información, al igual que el código Morse pierde las entonaciones matizadas de la palabra hablada y las expresiones faciales del hablante. ¿Cuáles son los patrones que realmente emulan lo que estaría haciendo una retina sana? pregunta Alexander Sher, investigador asistente de UCSC que colabora con Litke. Si llega al punto en el que puede estimular células individuales y sabe cómo las células individuales codifican la información, puede simular eso exactamente, o casi exactamente.
Los científicos de Second Sight dicen que las lecciones aprendidas de estos estudios serán cruciales para el desarrollo de prótesis de próxima generación. Pero convertir el dispositivo de los investigadores de UCSC en un implante adecuado para el ojo humano será un desafío. Muchas consideraciones técnicas nos impiden saltar a electrodos realmente pequeños, dice McMahon. Eso requerirá más desarrollos en electrónica, empaque y software.