Разработан гибкий глазной имплантат для мышей, который позволяет преобразовывать ближний инфракрасный свет в электрические сигналы для стимуляции зрительных нервов. Данная технология может позволить пациентам воспринимать свет, не повреждая сохранившиеся клетки глаза с помощью жестких электродов, однако пока не ясно, как человек отреагирует на невидимый диапазон излучения.
Дегенеративные процессы, вызванные генетическими факторами или возрастом, могут приводить к разрушению фоторецепторов сетчатки, что вызывает потерю зрения. При этом другие слои клеток, такие как ганглионарные клетки сетчатки, нередко остаются не затронутыми и продолжают передавать сигналы в головной мозг.
Специалисты уже давно ищут способы восстановить функции утраченных рецепторов с помощью микроэлектронных устройств. Эти системы фиксируют световые сигналы и передают микротоки непосредственно на ганглионарные клетки. Основным препятствием для предыдущих поколений протезов являлась жесткость используемых материалов: твердые электроды способны травмировать нежную ткань глазного дна и вызывать воспалительные процессы.
Традиционные имплантаты также чувствительны к видимому свету. В новой научной работе авторы предложили использовать ближнее инфракрасное излучение. Волновой диапазон не воспринимается человеческим глазом, поэтому искусственные вспышки, как предполагается, не будут мешать остаткам естественного зрения у людей с ограниченными зрительными возможностями.
Разработан гибкий протез, использующий жидкий металл, способный активировать нейроны сетчатки под воздействием ближнего инфракрасного излучения. Результаты опубликовали в журнале Nature Electronics.
Ученые разработали ультратонкую пленку, содержащую массив кремниевых транзисторов и выступающие микроэлектроды. Для создания контактов использовали столбики высотой 60 микрометров, изготовленные из сплава галлия и индия, который находится в жидком состоянии при температуре тела. Этот сплав значительно мягче традиционных проводников и по упругости близок к тканям глаза. Для повышения электропроводности на кончики нанесли платиновое покрытие. Сверху был установлен фильтр, предназначенный для блокировки видимого спектра и пропускания только инфракрасного света к транзисторам.
Первоначально безопасность оценивалась на культуре пигментных клеток человека и изолированной сетчатке. Полученные результаты показали отсутствие токсичности для живых тканей и стабильность при воздействии влажной среды, однако это не является гарантией иммунной толерантности в условиях живого организма.
Искусственную сетчатку имплантировали в глаза трех здоровых мышей и трех особей с генетической мутацией, вызывающей полную дегенерацию фоторецепторов. В глаза животным направляли вспышки синего и инфракрасного света, фиксируя активность в зрительной коре. Только при воздействии инфракрасного излучения и работе протеза в мозге слепых грызунов возникали электрические сигналы. Здоровые животные с имплантатом демонстрировали успешную реакцию на оба вида освещения.
Исследователи зафиксировали передачу сигнала от глаза к мозгу, однако расшифровать, каким образом эти импульсы обрабатывались зрительными центрами, основываясь на данных электроэнцефалограммы, не удалось.
В завершение, ученые провели поведенческий эксперимент. Мышей обучили получать воду из трубки, ориентируясь на световой сигнал. Незрячие животные освоили реакцию на инфракрасные вспышки, демонстрирующую такую же эффективность, как и у зрячих грызунов на оптический сигнал.
Разработанная технология оказалась совместима с тканями глаза и обеспечивает передачу информации об инфракрасном свете непосредственно в мозг. Однако, возможности использования данного имплантата на текущем этапе развития ограничены. Передача электрических импульсов к нейронам не приводит к формированию полноценного представления о мире в сознании. Восприятие этих стимулов пациентом может проявляться как неорганизованные, случайные пятна, а не как тепловое зрение.
Использование сплавов на основе жидкого металла и смещение чувствительности транзисторов в оптический диапазон, невидимый для человеческого глаза, в перспективе может значительно увеличить возможности медицины в лечении слепоты. Для подтверждения практической целесообразности, разработчикам необходимо существенно уменьшить энергопотребление устройства и выполнить длительные испытания на животных крупных размеров.