Возвращать зрение слепым людям – давняя мечта человечества. Успехи современной офтальмологии помогают полностью восстановить зрение при катаракте, замедлить его падение при глаукоме, навсегда устранить близорукость и астигматизм. Однако вернуть зрение пациентам с дегенеративными заболеваниями сетчатки врачи пока не могут. Именно для таких пациентов разработаны импланты сетчатки. О том, что это за устройства и каковы их возможности, узнайте вместе с Medaboutme.
Как все начиналось
Первая попытка электрической стимуляции зрительной системы для лечения слепоты была сделана еще в XVIII веке в Париже французским врачом и ученым Шарлем Ле Руа. Его незрячий пациент утверждал, что испытал зрительные ощущения и «увидел» вспышки при прохождении электрического тока через намотанную вокруг головы проволоку. Впоследствии эти вспышки были названы фосфенами.
После врачи неоднократно отмечали появление вспышек перед глазами при стимуляции электродами коры головного мозга в затылочной области. Здесь сосредоточены нейроны, которые воспринимают и анализируют зрительную информацию.
В 1978 году американский ученый Билл Добель показал принципиальную возможность восстановления утраченного зрения путем электрической стимуляции головного мозга. Для формирования изображения он использовал видеокамеру. Затем картинка трансформировалась в электрический сигнал и передавалась на зрительную кору. Во время работы этого устройства слепой пациент не только видел вспышки света, но и различал крупные буквы.
А вот группа американских исследователей под руководством Марка Хумаюна пошла другим путем. Для получения зрительного образа было решено стимулировать сохранные клетки сетчатки. Это привело к созданию первого зрительного импланта Argus.
Первая операция по его имплантации была проведена в 1999 году. А в 2013 году устройство Argus II получило разрешение FDA для коммерческого использования. На сегодняшний день его носят более 350 пациентов, двое из которых россияне.
![](/upload/medialibrary/18b/1_s2.0_S1350946215000701_gr3.jpg)
Чтобы четко представить работу импланта, следует вспомнить анатомию сетчатки глаза человека. Она состоит из 10 слоев клеток и имеет инвертированное строение. Это значит, что свет должен пройти сквозь все слои и отразиться от внутреннего слоя. Лишь затем световой сигнал воспринимается нервными клетками, обрабатывается и передается в мозг.
В передаче света в мозг участвуют пять типов нейронов. Три из них находятся в сетчатке. Первыми свет воспринимают фоторецепторы. Это хорошо известные всем палочки и колбочки.
Однако их жизнедеятельность невозможна без самого внутреннего слоя сетчатки — пигментного эпителия. Палочки и колбочки тесно взаимодействуют с этим слоем. Он поглощает избыток света, попавшего на сетчатку, питает фоторецепторы, помогает их восстановлению, участвует в выведении продуктов обмена.
Следующими типом нейронов является вышележащий слой биполярных клеток. При попадании света на фоторецептор в результате фотохимической реакции изменяется его трансмембранный электрический потенциал. Это возбуждение передается биполярным клеткам.
Они, в свою очередь, возбуждают ганглиозную клетку. Это третий тип нейронов на пути света в мозг. Отростки ганглиозных клеток формируют зрительный нерв и несут информацию в подкорковый отдел мозга — таламус. Здесь происходит последнее переключение импульса. Конечный, пятый нейрон зрительного пути расположен в зрительной коре.
Показания к имплантации
При дегенеративных заболеваниях сетчатки происходят серьезные нарушения в строении и функции слоя фоторецепторов и пигментного эпителия. Однако остальные слои продолжают работать. Идея искусственной сетчатки состоит в стимуляции здоровых клеток с помощью массива микроэлектродов. Он выполняет функции погибших фоторецепторов.
По этой причине импланты сетчатки могут помочь далеко не всем слабовидящим. Например, при глаукоме происходит гибель ганглиозных клеток. А имеющиеся устройства имитируют лишь работу фоторецепторного слоя. При отслойке сетчатки устройство также бессильно.
Кроме того, пациент должен видеть в течение долгого времени в прошлом. Ведь искусственное изображение получается очень размытым. Поэтому больной не столько видит, сколько догадывается, что за предмет перед ним. По этой причине у слепых от рождения людей этот метод неэффективен. Он показан лишь при пигментной дегенерации сетчатки и атрофической форме возрастной макулярной дистрофии.
![](/upload/medialibrary/c90/shutterstock_151443557.jpg)
Пигментная дегенерация сетчатки — заболевание, которое характеризуется прогрессирующим сужением полей зрения и ночной слепотой. Причиной является мутация в гене, кодирующем синтез родопсина. Это главный белок, воспринимающий свет. Он расположен в наружных сегментах фоторецепторов-палочек.
Из-за нарушения обмена веществ наблюдаются дистрофические изменения в палочках, их укорочение. На поздних этапах происходит гибель этих клеток. В пигментном эпителии имеется гипертрофия, атрофия и дезорганизация клеток. Исходом болезни часто является полная слепота.
Атрофическая форма возрастной макулярной дистрофии связана со старением организма и дегенеративными процессами в пигментном эпителии центральной зоны сетчатки. Из-за этого страдают и фоторецепторы. Заболевание проявляется искажением контуров предмета, невозможностью четко его видеть, затруднениями при чтении.
Устройство и виды зрительных протезов
Все зрительные протезы можно разделить на 2 типа в зависимости от расположения стимулирующих электродов. Они могут располагаться в глазнице (как в полости глаза, так и на зрительном нерве) или вживляться внутрь мозга.
С технической точки зрения протезы сетчатки обычно состоят из 4 основных компонентов: фотоэлектрического преобразователя, внешней электроники, внутренней электроники и массива стимулирующих электродов. Первый компонент нужен для восприятия визуальной информации. Он представляет собой видеокамеру или массив фотодиодов, который имплантируется в сетчатку.
Внешняя и внутренняя электроника предназначены для обработки полученных данных и участвуют в формировании электрических импульсов, передаваемых на микроэлектроды для стимуляции сетчатки. Связь между этими двумя частями происходит с помощью кабеля или элекромагнитного излучения. Стимулирующие электроды передают полученную информацию в сохранные части зрительного пути.
При установке внутримозговых имплантов требуется нейрохирургическое вмешательство. Их ношение сопряжено с высоким риском инфекционных осложнений. Однако этот метод позволяет помочь пациентам с глаукомой, с тяжелым травматическим повреждением глаза и даже людям, лишенным органа зрения. В настоящее время эти устройства находятся на стадии доклинических испытаний.
Самые распространенные протезы сетчатки
Argus II
Лидером по распространенности являются американские импланты серии Argus. Их разработчик и производитель — американская компания Second Sight Medical Products, Inc. Система Argus II состоит из 5 элементов: видеокамеры, видеопроцессора, двух индукционных катушек, внутренней электроники импланта, и, наконец, массива стимулирующих электродов.
Видеокамера и наружная индукционная катушка крепятся к очкам. Камера снимает изображение и передает его на видеопроцессор. Здесь оно обрабатывается для передачи путем индукции. Наружная индукционная катушка передает информацию об изображении на внутреннюю катушку. Последняя кабелем связана с внутренней электроникой. Оба этих элемента расположены поверх склеры.
Внутренняя электроника генерирует стимулирующие импульсы, а также может диагностировать имплант. Отсюда импульсы через многожильный кабель поступают внутрь глаза, где достигают массива электродов. Они передают изображение на биполярные клетки сетчатки. Далее оно поступает в мозг обычным путем.
Массив включает 60 электродов, изготовленных из платины и размещенных на полиимидной пленке размером 5,5 х 6 квадратных миллиметров. Это обеспечивает поле зрения в 20°. Максимальная острота зрения составляет 0,016. При такой остроте зрения пациент может верно сосчитать пальцы врача в 50-70 см от лица. К сожалению, ни один имплант не дает возможности различать цвета.
![](/upload/medialibrary/993/tahchidi.jpg)
В июне и декабре 2017 года в России были успешно проведены две операции по имплантации зрительного протеза Argus II. Успех этой операции — это успех отечественной офтальмологии. Мы сумели войти в мировую когорту единичных клиник, которые прикоснулись к теме общения с мозгом. Она выводит нас на понимание взаимоотношений с мозгом, это перспектива для большой науки.
Alpha IMS
Этот протез разработан в Германии научной группой под руководством профессора Эберхарда Цреннера. На сегодняшний день его используют более 40 пациентов. Максимальная острота их зрения — 0,034. Во время работы импланта они могут распознавать силуэты людей, очертания зданий, расположение окон и дверных проемов, а также видеть стрелки на настенных часах.
От предыдущей конструкции Alpha IMS отличает отсутствие видеокамеры. Вместо нее под сетчатку имплантирован массив фотодиодов, который и воспринимают изображение. Фокусировка выполняется оптической системой глаза.
Свет, проходя сквозь сетчатку, падает на массив из 1500 независимых друг от друга пикселей. Каждый из них включает в себя фотодиод, усилитель фототока, генератор стимулирующего напряжения и стимулирующий электрод.
Электрический ток, возбужденный светом в фотодиоде, усиливается и преобразуется с помощью генератора в электрические импульсы. Они через нитрид-титановые электроды стимулируют биполярные клетки сетчатки. Имплант получает питание от двух индукционных катушек. Внутренняя катушка связана с массивом фотодиодов с помощью кабеля, проходящего через склеру.
В 2013 году устройство Alpha IMS прошло сертификацию CE для коммерческого использования в Европе. Через 3 года была сертифицирована улучшенная модель импланта — Retina Implant AMS, в которой количество пикселей увеличено до 1600.
Проблемы имплантов сетчатки
Все зрительные протезы имеют существенные недостатки. Именно над их устранением будут работать ученые в ближайшем будущем. Условно их можно разделить на нейрофизиологические, хирургические и инженерные.
- Нейрофизиологические проблемы связаны с постепенным нарушением структуры и функции не только слоя фоторецепторов, но и сетчатки в целом. После гибели фоторецепторов часть биполярных клеток прорастает отростками в соседние слои в поисках возбуждающего сигнала, часть гибнет. Между нейронами устанавливаются новые синаптические связи, отличные от физиологических. Это ведет к спонтанной активности нервных клеток. Она может стать помехой для проведения искусственного сигнала и ухудшать качество зрения.
- К хирургическим проблемам относят вероятное помутнение оптических сред глаза, длительность и техническую сложность имплантации, риск повреждения устройства при установке, сложность его фиксации. Кроме того, существует риск послеоперационных осложнений: внутриглазного воспаления, отслойки сетчатки, различных кровоизлияний.
- Самая большая инженерная проблема состоит в том, что все зрительные импланты обладают небольшим разрешением и малым углом обзора (40°— 50°). Для его расширения до нормы (150°) придется увеличить площадь массива электродов до 20 квадратных сантиметров. Имплантация такой конструкции крайне затруднительна. Поэтому ведется работа по совершенствованию дизайна массива электродов. Другие проблемы сводятся к поиску материалов, устойчивых к коррозии, обеспечению неподвижности протеза.
Кроме того, повсеместное распространение этой технологии сдерживает очень высокая цена устройства. Она составляет примерно 8,5 миллионов рублей. Операция с последующей реабилитацией обходится примерно в эту же сумму.
Шаг к медицине будущего
Импланты сетчатки пока еще далеки от совершенства. Зрение больного с таким протезом очень отдаленно напоминает зрение здорового человека. При этом надо понимать, что это устройство заменяет не всю сетчатку, а лишь один ее слой на очень небольшой площади. О массовой их имплантации сегодня речь не идет.
Однако первый шаг уже сделан, и словосочетание «искусственная сетчатка» больше не кажется фантастическим. Над разработкой новых проектов сегодня работают около 100 научных групп. И рано или поздно совместные усилия врачей, инженеров, физиков, нейрофизиологов, математиков, программистов приведут к созданию полноценного искусственного глаза.