Egy nagy csatornaszámú látásimplantátum tervrajza

A látás elektronikus helyreállítására tett kísérletek többsége ugyanabba a számtani problémába ütközik. A természetes látás rendkívül sok sejtre és idegrostra támaszkodik. Egy néhány száz érintkezővel rendelkező implantátum mindig csak nagyon durva képet tud megrajzolni.

A Francis Crick Institute által benyújtott 11,318,299 számú amerikai szabadalom olyan konstrukciót ír le, amely ennél jóval nagyobb csatornaszámot céloz.^[1] Feltalálói Romeo-Robert Rácz, Gabriella Rácz és Andreas Schaefer. A szabadalom egy olyan implantátumot ismertet, amely nanostrukturált végű, nagyon vékony, üvegbevonatú huzalokból épül fel, egy rendszerint kijelzőt vezérlő chiphez hasonló áramkör hajtja meg, és úgy helyezkedik el, hogy minden egyes huzal a szemet elhagyó idegrostokat ingerelhesse.

A megoldandó probléma

A szabadalom a szükséglet nagyságával indít. Becslés szerint világszerte 39 millió embert érintő vakságot idéz, és megjegyzi, hogy a retina ingerlése retinitis pigmentosában szenvedőknél hasznos látásérzetet válthat ki, de nem akkor, ha a retina kimeneti sejtjei, a ganglionsejtek elpusztultak.^[1] A látópálya távolabbi szakaszain megvalósítható célpontként nevezi meg a látóideget, a talamusz egyik átkapcsoló állomását, a corpus geniculatum lateralét, valamint a látókérget.

Ezután a meglévő megközelítések két műszaki korlátját azonosítja. Először: az akkori retinális eszközök néhány száz ingerlési vagy elvezetési pontot kínáltak, a szabadalom szerint viszont a részletes látáshoz 10 000 vagy 100 000 nagyságrendű sejt vagy rost ingerlésére lehet szükség. Másodszor: a csúcsukon nagy impedanciájú elektródák nagyobb áramot és további erősítést igényelnek. A szabadalom megjegyzi, hogy a szövet melegedése az áramerősség négyzetével arányos, így a keskeny elektródákon átfolyó sok kis áram kevesebb kárt okozhat, mint néhány nagy.

Mit ír le a szabadalom?

Az első igénypont határozza meg a találmány lényegét.^[1] A látásimplantátum mikroelektródák sorát tartalmazza, köztük legalább kettő ingerlő elektródát. Mindegyiknek vezető anyagból készült magja, az azt körülvevő szigetelőanyaga, valamint a szövettel érintkező végén, a csúcsán fém vagy fém-oxid nanostruktúrákból álló rétege van. Egy integrált áramkör vezérli az elektródasoron átfolyó ingerlőáram mintázatát.

További igénypontok részleteket tesznek hozzá. Ezek kiterjednek a legfeljebb 30 mikrométer átmérőjű elektródákra; az arany nanostruktúrákra; az irídium-oxid bevonatra; az üvegszigetelésre; a hajlékony elektródákra; a Taylor–Ulitovsky-eljárással – amelyben a fémet olvadt üvegben húzzák ki – készült huzalokra; a kihegyezett, ferdén polírozott csúcsokra; az integrált áramkörként alkalmazott pixeles kijelzővezérlőre; valamint arra, hogy az áramot egyszerre vezetik át az elektródák kétdimenziós mintázatán.

A leírás azt is elmagyarázza, hogyan csatlakozik az egyes huzalok túlsó vége a chiphez. A huzalvégekre apró aranydudorokat növesztenek. Mivel ezek a dudorok puha, nanostrukturált aranyból állnak, a chip érintkezőihez nyomva deformálódhatnak, így egy igen nagy csatornaszámú elektródasorban a huzalok egyszerűen úgy csatlakoztathatók, hogy a köteget rányomják a chipre.

Két út a kép bejuttatására

A szabadalom a rendszer két változatát írja le.^[1]

Az elsőben egy fejre szerelt kamera rögzíti a képeket, egy processzor pedig ingerlési mintázattá alakítja őket. A mintázat vezeték nélkül jut el az implantátumhoz, amely az energiát is vezeték nélkül kapja, például rádiófrekvenciás vagy induktív átvitellel.

A második változatban a kamera és a processzor magába az implantátumba, a szem belsejébe van beépítve. A szabadalom rámutat ennek egyik előnyére: ekkor a szem saját izmai irányítanák a kamerát oda, ahová az illető néz.

A szabadalom azt is leírja, hogyan alakíthatná át egy processzor a képet ingerléssé: például éleket ismerhetne fel, és a nekik megfelelő elektródákat ingerelhetné, így a felhasználó a tárgyak körvonalait érzékelhetné; vagy az ingerlés helyét, frekvenciáját és erősségét az árnyalatok vagy a színek szerint állíthatná be. Ezeket lehetőségként írja le, és az implantátumot kutatási platformként mutatja be, amellyel kideríthető, mely leképezések hasznosak.

Miért éppen a látóidegfő?

A szabadalom központi anatómiai érve az alakok egymáshoz illesztése.^[1] A látóidegfőnél a retina ganglionsejtjeinek axonjai párhuzamosan, egymás mellett futnak. Az egyenes mikrohuzalok kötege szintén párhuzamos. Ha a huzalokat a rostok mentén vezetjük be, hatékony interfészt kaphatunk, a rostok közvetlen ingerlése pedig azt jelenti, hogy az implantátum nem függ a retina saját áramköreitől – ez a szabadalom megjegyzése szerint egyszerűsítené a fejlesztést.

Nemcsak ingerlés, hanem érzékelés is

Ugyanazok az elektródák különböző bevonatokat kaphatnak, hogy kémiai jeleket érzékeljenek. A szabadalom glükózt vagy pH-t érzékelő elektródákat ír le, amelyek – felvetése szerint – segíthetnének a cukorbetegség, a látásvesztés egyik okának nyomon követésében. Lehetőségként megemlíti az amiloid-béta kimutatását is a retinában az Alzheimer-kórral összefüggésben, valamint a GFAP fehérje kimutatását – amely a traumás agysérüléssel és az olyan agydaganatokkal, mint a glioblasztóma, hozható összefüggésbe – úgy, hogy a nanostruktúrákat antitesttel látják el.^[1] Ezeket a szabadalom lehetőségként írja le, nem igazolt eredményként.

A szabadalomban közölt kísérletek

A szabadalom két megvalósíthatósági kísérletet tartalmaz.

Idegsejtek ingerlése egérben. A kutatók olyan genetikailag módosított egeret használtak, amelynek idegsejtjei aktív állapotban fluoreszkálnak, és kétfotonos mikroszkóppal képezték le őket, miközben – a szabadalom leírása szerint – a szaglókéregbe helyezett mikroelektróda-soron áramot vezettek át.^[1] Kikapcsolt és bekapcsolt ingerlés mellett ugyanabban a látótérben a jelölt sejtek aktivitása egyértelműen megnőtt, köztük olyanoké is, amelyek a szonda csúcsától távolabb helyezkedtek el.

A kutatók 20 és 50 mikroamper közötti áramerősségeket vizsgáltak. A szabadalom szerint egyes sejtek már nagyon kis áramra is válaszoltak, mások csak nagyobbra; a teljes tartományban megbízhatóan lehetett aktivitást kiváltani; az idegsejtek pedig az ingerlési helyhez viszonyított elhelyezkedésüktől függetlenül válaszoltak egy 50 mikroamperes impulzusra.

A látóideg ingerlése birkaszemben. Egy in vitro preparátumban a szabadalomban leírt, aranyvégű, üvegbevonatú huzalokból készült 10 csatornás ingerlő szondát vezettek be egy birkaszem látóidegfőjébe. Egy ugyanilyen típusú, 16 csatornás elvezető szondát a látóidegbe helyeztek, a szemgolyótól körülbelül 2 centiméterre.^[1] Amikor tíz, egyenként 1 milliszekundumos impulzusból álló sorozatokat adtak le 40 mikroamperrel, majd 165 mikroamperrel is, az elvezető szonda egyértelmű választ észlelt távolabb a látóidegben. A szabadalom ezt annak az elvnek a demonstrációjaként mutatja be, hogy a látóidegfőnél végzett ingerléssel jelek küldhetők végig a látóidegen. Bemutat továbbá egy körülbelül 1000 mikroelektródából álló sort, amely a látóidegfő felét fedi le, és megjegyzi, hogy a látóidegfőn két-háromszor ennyi csatornának is lenne hely.

Mi a szabadalom, és mi nem

• Amit bemutat. A szabadalom egy nagy csatornaszámú látásimplantátum konkrét konstrukcióját és előállításának módszereit ismerteti, egéragyban és in vitro birkaszemben végzett megvalósíthatósági kísérletekkel.^[1]
• Amit nem mutat be. Nem számol be arról, hogy az eszköz helyreállítaná a látást, sem emberen végzett vizsgálatról, hosszú távú beültetésről vagy biztonságossági adatokról. Számos jellemzőt – például a képfeldolgozást és a kémiai érzékelést – lehetséges megvalósítási módként ír le, nem pedig kipróbált eredményként.
• Ami meghatározza. Az oltalom terjedelmét a megadott igénypontok határozzák meg, amelyeket érdemes teljes terjedelmükben elolvasni a nyilvános lajstromban.

Kapcsolódás további munkáinkhoz

A szabadalom középpontjában álló elektródák ugyanabba a családba tartoznak, mint a jULIEs szondák, amelyek elvezetési és ingerlési teljesítményéről később egy szakmailag lektorált cikk számolt be,^[2] és mint az a szonda, amelyet részben ugyanazok a feltalálók egy korábbi szabadalomban írtak le.^[3] Olvassa el az elektrokémiai szonda szabadalmáról szóló útmutatónkat.