El modelo informático promueve posibles mejoras en la tecnología del “ojo biónico”

Millones de personas luchan contra la ceguera debido a enfermedades oculares degenerativas. El trastorno genético de la retinosis pigmentaria solo afecta a 1 de cada 4.000 personas en todo el mundo.

La tecnología ahora está disponible para permitir la visión parcial de las personas con este síndrome. El Argus II, la primera prótesis de retina del mundo, reproduce algunas de las funciones de la parte visual del ojo para permitir a los usuarios percibir el movimiento y las formas.

Si bien el campo de las prótesis de retina aún está en pañales, para cientos de usuarios en todo el mundo, el “ojo biónico” enriquece su forma diaria de interactuar con el mundo. Por ejemplo, ver los contornos de los objetos les permite navegar en entornos desconocidos con mayor seguridad.

Este es solo el comienzo. Los científicos buscan futuras mejoras tecnológicas con un objetivo ambicioso en mente.

“Nuestro objetivo ahora es desarrollar sistemas que imiten verdaderamente la complejidad de la retina”, dijo Gianluca Lazzi, profesor de oftalmología e ingeniería eléctrica en la Escuela de Medicina Keck de la USC y la Escuela de Ingeniería de Viterbi en la USC.

Él y sus colegas de la USC cultivaron avances en dos estudios recientes que utilizaron un modelo informático avanzado de lo que sucede en la retina. Su modelo probado experimentalmente recrea las formas y posiciones de millones células nerviosas en el ojo, así como las propiedades físicas y de red asociadas.

“Ahora se pueden modelar cosas que ni siquiera podíamos ver”, dijo Lazzi, quien también es profesor de ingeniería en Fred H. Cole y director del Instituto de Tecnología y Sistemas Médicos de la USC. “Podemos imitar el comportamiento de los sistemas neuronales para poder comprender realmente por qué el sistema neuronal hace lo que hace”.

Centrándose en modelos de nervios células que transmiten información visual Desde el ojo al cerebro, los científicos han identificado formas de aumentar potencialmente la claridad y proporcionar visión de color a futuras prótesis de retina.

Ojo, biónico y más

Para comprender cómo un modelo de computadora puede mejorar el ojo biónico, es útil aprender un poco acerca de cómo surge la visión y cómo funciona la prótesis.

Cuando la luz entra en un ojo sano, el cristalino la enfoca en la retina en la parte posterior del ojo. Las células llamadas fotorreceptores convierten la luz en impulsos eléctricos que son procesados ​​por otras células de la retina. Después del procesamiento, las señales se transmiten a celulas ganglionaresque transportan información desde la retina al cerebro a través de largas colas, llamadas axones, que se unen para formar el nervio óptico.

Los fotorreceptores y las células procesadoras mueren enfermedades degenerativas de los ojos. Las células ganglionares de la retina suelen durar más; Argus II envía señales directamente a estas células.

“En estas circunstancias desafortunadas, ya no hay un buen conjunto de entradas para la celda de giro”, dijo Lazzi. “Como ingenieros, nos preguntamos cómo podemos proporcionar esta entrada eléctrica”.

El paciente recibe un pequeño implante ocular con una serie de electrodos. Estos electrodos se activan de forma remota cuando la señal se transmite desde un par de gafas especiales en las que se encuentra la cámara. Los patrones de luz detectados por la cámara determinan qué células ganglionares de la retina son activadas por los electrodos, enviando una señal al cerebro que da como resultado la percepción de una imagen en blanco y negro de 60 puntos.

El modelo informático tienta a nuevos avances

En determinadas condiciones, el electrodo del implante estimulará accidentalmente los axones de las células adyacentes al objetivo. Para el usuario del ojo biónico, esta estimulación del axón fuera del objetivo provoca la percepción de una forma alargada en lugar de un punto. En un estudio publicado en Transacciones IEEE para sistemas neuronales e ingeniería de rehabilitación, Lazzi y sus colegas implementaron un modelo informático para resolver este problema.

“Quieres activar esta célula, pero no el axón adyacente”, dijo Lazzi. “Es por eso que intentamos diseñar una onda de estimulación eléctrica que se dirija a la célula con mayor precisión”.

Los científicos utilizaron modelos para dos subtipos. células ganglionares de la retina, tanto a nivel de una sola célula como en grandes redes. Identificaron un patrón de pulsos cortos que se dirigen preferentemente a los cuerpos celulares, con menos activación de axones fuera del objetivo.

Otro estudio reciente en la revista Informes científicos aplicaron el mismo sistema de modelado por computadora a los mismos dos subtipos de células para estudiar cómo codificar el color.

Esta investigación se basa en investigaciones anteriores que muestran que las personas que usan Argus II perciben los cambios de color a medida que cambia la frecuencia de una señal eléctrica, la cantidad de veces que la señal se repite a lo largo del tiempo. Usando este modelo, Lazzi y sus colegas desarrollaron una estrategia para ajustar la frecuencia de la señal para obtener la percepción azul.

Además de la posibilidad de agregar visión de color al ojo biónico, la codificación de colores podría combinarse con inteligencia artificial en futuras soluciones basadas en sistemas para distinguir elementos particularmente importantes en el entorno humano, como caras o puertas.

“El camino es largo, pero vamos en la dirección correcta”, dijo Lazzi. “Podemos darles inteligencia a estas prótesis, y con el conocimiento llega el poder”.