Борьба со слепотой

Сложное устройство сетчатки человеческого глаза долгое время препятствовало попыткам победить слепоту, вызванную ее дистрофическими заболеваниями. Между тем, около 40 млн людей в мире нуждаются в протезе, который помог бы им восстановить зрение. Создание глазного протеза — задача крайне нетривиальная и сложная. Но американский нейробиолог Шейла Ниренберг (Sheila Nirenberg) приблизилась к пониманию того, как можно имитировать работу сетчатки и создать подобный протез.
Упрощенная схема человеческого глаза: Co — роговица, L — хрусталик, Re — сетчатка, N — глазной нерв
Рис. 1. Упрощенная схема человеческого глаза: Co — роговица, L — хрусталик, Re — сетчатка, N — глазной нерв
Попытаемся понять, с чем связаны основные сложности при создании глазного протеза. Процесс поступления зрительной информации в мозг можно условно разделить на четыре этапа:
Слои сетчатки человеческого глаза
Рис. 2. Слои сетчатки человеческого глаза. Автор исходного изображения: Peter Hartmann
 
  1. Под действием света, который беспрепятственно проходит через большинство слоев сетчатки, в ее чувствительных клетках (при дневном зрении их роль выполняют колбочки C, при ночном палочки R; далее в тексте — приемники) происходит фотохимическая реакция разложения пигмента (йодопсина или родопсина соответственно).
  2. В результате образовавшихся на первом этапе ионов, в биполярных нервных клетках Bi возникают импульсы тока от каждого приемника.
  3. На третьем этапе происходит «горизонтальное» кодирование во внутреннем ядерном слое INL, в результате которого электрические сигналы от нескольких приемников объединяются в один.
  4. Закодированный сигнал собирается  в ганглионарном слое GC и по зрительному нерву поступает в мозг, где он окончательно преобразуется в зрительные образы.
Таким образом, в нормальной сетчатке происходит не только регистрация изображения, но и его кодирование перед передачей в мозг:
Процесс регистрации, кодирования и передачи изображения в  зрительной системе человека
Рис. 3. Процесс регистрации, кодирования и передачи изображения в зрительной системе человека
При дегенеративных заболеваниях сетчатки ее клетки постепенно отмирают, регистрации и преобразования визуального сигнала не происходит, вследствие чего человек теряет зрение:
Отмирание естественных приемников в зрительной системе  не позволяет мозгу формировать изображение
Рис. 4. Отмирание естественных приемников в зрительной системе не позволяет мозгу формировать изображение
Кодирование (преобразование) информации, поступающей от приемников, необходимо для ее сжатия (количество нервных волокон в зрительном нерве на несколько порядков меньше общего количества приемников в глазу), а также для функционирования цветового зрения. Именно сложные механизмы кодирования изображения в сетчатке долгое время не позволяли ученым приблизиться к созданию протеза, который позволил бы слепым пациентам восстановить зрение. Однако американский нейробиолог Шейла Ниренберг, изучаюшая проблемы кодирования информации в головном мозге, смогла создать подобный протез и даже испытать его на животных. Основная идея протеза заключается в регистрации изображения на матрице, кодировании в понятный мозгу электрический сигнал и передача его в глазной нерв:
Прием и передача изображения с помощью протеза
Рис. 5. Прием и передача изображения с помощью протеза
Результаты ее работы впечатляют: закодированное протезом изображение может позволить слепому человеку в будущем видеть не яркие контрастные пятна (что было достигнуто ранее), а силуэты объектов и, вероятно, даже поможет адекватно различать цвета. С более подробным изложением идеи можно ознакомиться, посмотрев выступление Шейлы на TEDMED:
Иллюстрации автора статьи