Заболевания сетчатки, вызванные прогрессирующей дегенерацией светочувствительных фоторецепторов, являются одной из основных причин необратимой потери зрения и слепоты, поражающей десятки миллионов людей во всем мире. Даже когда светочувствительные клетки (палочки и колбочки) сетчатки полностью дегенерируют, нервные цепи, идущие в мозг обычно остаются сохранными, и можно частично восстановить зрение путем стимуляции нейронов. Стратегии лечения дегенерации включают электрическую стимуляцию выживших нейронов сетчатки с помощью имплантированных в глаз устройств и генетическую терапию. Недостатками этих методов являются инвазивность, сложные имплантационные операции и риски, сопровождающие генную терапию.
Исследовательская группа во главе с профессорами Кифа Чжоу и Марком Хумаюн в Университете Южной Калифорнии в Лос-Анджелесе подвергли стимуляции звуковыми волнами высокой частоты глаза как здоровых крыс, так и крыс с дегенерацией сетчатки. Этот звук не воспринимается человеческим ухом, им можно манипулировать и фокусировать на нужной области глаза. Известно, что ультразвук может генерировать управляемое механическое давление, и оно с помощью неизвестного пока механизма активирует нейроны. Стимуляция ультразвуком привела к активации небольших групп нейронов в глазах крыс, точно так же, как световые сигналы могут активировать клетки сетчатки здорового глаз.
Основным ограничением проведенных экспериментов на животных является то, что, в отличие от людей, исследователи не могли получить от них достоверный ответ о зрительных ощущениях во время ультразвуковой стимуляции глаза. Группа решила эту проблему, измерив активность зрительной области головного мозга крысы, с которым связан зрительный нерв. С помощью помещенной в эту область мультиэлектродной матрицы, они фиксировали активацию сетчатки. Исследование показало, что при проецировании ультразвука в виде рисунка на сетчатку (например, буквы "С") можно уловить соответствующую активность в головном мозге.
Одним из важных требований к ультразвуковому протезу является обеспечение способности видеть изображения как можно чётче. Для этого входящие данные должны содержать много отдельных точек. Способны ли звуковые волны передавать нейронам сетчатки мелкие детали, не сливающиеся друг с другом? Проблема разрешения экспериментальной системы пока не преодолена. У крыс ультразвуковой луч стимулировал область сетчатки диаметром около 250 микрон, в то время как в сетчатке отдельные нейроны имеют размер всего несколько микрон. Следовательно, для достижения лучшего разрешения необходимо добиться более тонкой стимуляции ультразвуком.
Эксперименты показали, что наиболее активно нейроны реагировали на ультразвуковую стимуляцию частотой 5 Гц. Но человеческий мозг работает с гораздо более высокой частотой, поэтому с новым устройством он лишь может видеть каждое изображение отдельно. Производители фильмов и видеоигр знают, что изображения сливаются только при частоте 24 кадра в секунду. Когда исследователи производили ультразвуковую стимуляцию сетчатки крысы с такой частотой, нейроны переставали функционировать.
Авторы считают, что они могут хотя бы частично решить эту проблему. Эксперименты показали, что десяти кадров в секунду должно быть достаточно для успешной доставки сигналов в мозг.
Если последующие эксперименты будут успешными, новая технология может быть переведена в клинические исследования в течение 3-5 лет.
Статья X.Qian et al. Noninvasive Ultrasound Retinal Stimulation for Vision Restoration at High Spatiotemporal Resolution опубликована в журнале BMEF (BME Frontiers).
Аминат Аджиева, портал «Вечная молодость» vechnayamolodost.ru по материалам EurekAlert: Sound can stimulate blind retina to transmit signals to the brain – ultrasonic retinal prosthesis.
