Planul unui implant vizual cu număr mare de canale

Majoritatea încercărilor de a reda vederea cu ajutorul electronicii se lovesc de aceeași aritmetică. Vederea naturală se bazează pe un număr foarte mare de celule și fibre nervoase. Un implant cu câteva sute de contacte nu poate reda decât o imagine foarte grosieră.

Brevetul american 11,318,299, depus de Francis Crick Institute, propune un design care țintește un număr mult mai mare de canale.^[1] Inventatorii săi sunt Romeo-Robert Rácz, Gabriella Rácz și Andreas Schaefer. Brevetul descrie un implant construit din fire foarte subțiri, acoperite cu sticlă și cu vârfuri nanostructurate, comandat de tipul de cip care controlează în mod obișnuit un ecran și poziționat astfel încât fiecare fir să poată stimula fibrele nervoase care ies din ochi.

Problema abordată

Brevetul începe cu amploarea nevoii. Citează o estimare de 39 de milioane de persoane afectate de orbire la nivel mondial și observă că stimularea retinei poate produce senzații vizuale utile la persoanele cu retinită pigmentară, dar nu și atunci când celulele de ieșire ale retinei, celulele ganglionare, au fost pierdute.^[1] Ca ținte fezabile mai departe pe calea vizuală, numește nervul optic, o stație de releu din talamus numită corpul geniculat lateral și cortexul vizual.

Identifică apoi două limite tehnice ale abordărilor existente. În primul rând, dispozitivele retiniene de la acea vreme ofereau câteva sute de situsuri de stimulare sau de înregistrare, în timp ce brevetul susține că o vedere detaliată ar putea necesita stimularea unui număr de celule sau fibre de ordinul a 10.000 ori 100.000. În al doilea rând, electrozii cu impedanță mare la vârf au nevoie de curenți mai mari și de amplificare suplimentară. Brevetul observă că încălzirea țesutului crește cu pătratul curentului, astfel încât mulți curenți mici prin electrozi subțiri pot provoca mai puține leziuni decât câțiva curenți mari.

Ce descrie brevetul

Prima revendicare definește nucleul invenției.^[1] Un implant vizual are o matrice de microelectrozi, dintre care cel puțin doi sunt de stimulare. Fiecare are un miez din material conductor, material izolator în jurul acestuia și un strat de nanostructuri de metal sau de oxid metalic pe vârf, la capătul care intră în contact cu țesutul. Un circuit integrat controlează tiparul curentului de stimulare prin matrice.

Revendicările suplimentare adaugă detalii. Ele acoperă electrozi cu diametrul de 30 de micrometri sau mai mic; nanostructuri de aur; un strat de oxid de iridiu; izolație din sticlă; electrozi flexibili; fire realizate prin metoda Taylor–Ulitovsky, în care metalul este tras în interiorul sticlei topite; vârfuri ascuțite, șlefuite în unghi; un driver de afișaj cu pixeli în rol de circuit integrat; și trimiterea simultană a curentului printr-un tipar bidimensional de electrozi.

Descrierea explică și modul în care capătul îndepărtat al fiecărui fir se conectează la cip. Pe capetele firelor se cresc mici proeminențe de aur. Deoarece aceste proeminențe sunt din aur moale, nanostructurat, ele se pot deforma atunci când sunt presate pe contactele cipului, astfel încât, într-o matrice cu un număr foarte mare de canale, firele pot fi conectate pur și simplu prin presarea mănunchiului pe cip.

Două moduri de a transmite imaginea

Brevetul descrie două versiuni ale sistemului.^[1]

În prima, o cameră montată pe cap captează imagini, iar un procesor le transformă într-un tipar de stimulare. Tiparul este transmis fără fir către implant, care primește tot fără fir și energia necesară, de exemplu prin transfer de radiofrecvență sau inductiv.

În a doua versiune, camera și procesorul sunt încorporate chiar în implant, în interiorul ochiului. Brevetul subliniază un avantaj: mușchii proprii ai ochiului ar orienta atunci camera oriunde privește persoana.

Brevetul descrie și cum ar putea un procesor să traducă o imagine în stimulare: de exemplu, detectând contururile și stimulând electrozii care le corespund, astfel încât utilizatorul să poată percepe conturul obiectelor, sau ajustând poziția, frecvența și intensitatea stimulării în funcție de umbre sau de culoare. Acestea sunt descrise ca opțiuni, iar brevetul prezintă implantul ca pe o platformă de cercetare pentru a stabili care dintre aceste corespondențe sunt utile.

De ce discul optic

Argumentul anatomic central al brevetului este o potrivire de forme.^[1] La nivelul discului optic, axonii celulelor ganglionare ale retinei merg în paralel, unul lângă altul. Un mănunchi de microfire drepte este și el paralel. Introducerea firelor de-a lungul fibrelor ar trebui să ofere o interfață eficientă, iar stimularea directă a fibrelor înseamnă că implantul nu depinde de circuitele proprii ale retinei, ceea ce, notează brevetul, ar simplifica dezvoltarea.

Nu doar stimulare, ci și detecție

Aceiași electrozi pot primi învelișuri diferite pentru a detecta substanțe chimice. Brevetul descrie electrozi de detecție pentru glucoză sau pH, care, sugerează el, ar putea ajuta la monitorizarea diabetului, o cauză a pierderii vederii. Menționează, de asemenea, ca posibilități detectarea beta-amiloidului în retină, în legătură cu boala Alzheimer, și detectarea proteinei GFAP, asociată cu traumatismele cerebrale și cu tumori cerebrale precum glioblastomul, prin atașarea unui anticorp pe nanostructuri.^[1] Acestea sunt descrise în brevet ca opțiuni, nu ca rezultate demonstrate.

Experimentele din brevet

Brevetul include două experimente de fezabilitate.

Stimularea neuronilor la șoarece. Echipa a folosit un șoarece modificat genetic, ai cărui neuroni devin fluorescenți când sunt activi, și i-a vizualizat cu un microscop bifotonic în timp ce trecea curent printr-o matrice de microelectrozi plasată în cortexul olfactiv, așa cum descrie brevetul.^[1] Cu stimularea oprită și apoi pornită, același câmp vizual a arătat creșteri clare ale activității în celulele marcate, inclusiv în unele aflate la distanță de vârful sondei.

Au fost testați curenți între 20 și 50 de microamperi. Brevetul raportează că unele celule au răspuns la curenți foarte mici, iar altele doar la curenți mai mari, că activitatea a putut fi evocată în mod fiabil în tot acest interval și că neuronii au răspuns la un impuls de 50 de microamperi indiferent de poziția lor față de locul stimulării.

Stimularea nervului optic într-un ochi de oaie. Într-un preparat in vitro, o sondă de stimulare cu 10 canale, realizată din firele acoperite cu sticlă și cu vârf de aur descrise în brevet, a fost introdusă în capul nervului optic al unui ochi de oaie. O sondă de înregistrare de același tip, cu 16 canale, a fost plasată în nervul optic, la aproximativ 2 centimetri de globul ocular.^[1] Când au fost aplicate trenuri de câte zece impulsuri de 1 milisecundă la 40 de microamperi și apoi la 165 de microamperi, sonda de înregistrare a detectat un răspuns clar în aval. Brevetul prezintă acest lucru ca pe o demonstrație de principiu că semnalele pot fi transmise de-a lungul nervului optic prin stimulare la nivelul discului optic. Arată, de asemenea, o matrice de aproximativ 1.000 de microelectrozi poziționată peste jumătate din capul nervului optic și observă că acesta ar avea loc pentru de două până la trei ori mai multe canale.

Ce este și ce nu este un brevet

• Ce arată. Brevetul prezintă un design concret pentru un implant vizual cu număr mare de canale și metodele de fabricare a acestuia, împreună cu experimente de fezabilitate în creierul unui șoarece și într-un ochi de oaie in vitro.^[1]
• Ce nu arată. Nu raportează că dispozitivul redă vederea și nu conține teste pe oameni, implantare de lungă durată sau date de siguranță. Mai multe caracteristici, precum procesarea imaginii și detecția chimică, sunt descrise ca posibile forme de realizare, nu ca rezultate testate.
• Ce îl definește. Sfera protecției este stabilită de revendicările acordate, care ar trebui citite integral în registrul public.

Legătura cu restul activității noastre

Electrozii din centrul acestui brevet fac parte din aceeași familie cu sondele jULIEs, ale căror performanțe de înregistrare și stimulare au fost raportate ulterior într-un articol recenzat inter pares,^[2] și cu sonda descrisă într-un brevet anterior, cu inventatori parțial comuni.^[3] Citiți ghidul nostru despre brevetul sondei electrochimice.