ראייה מלאכותית

ראייה מלאכותית היא טכנולוגיה המאפשרת תפיסה חזותית באמצעים מלאכותיים, על מנת לעקוף בעיות ומחלות ראייה, בכללם עיוורון. החל ממאה ה-18 החלו הדיווחים המוקדמים של זרחות (=נקודות אור) שנגרמו באופן מלאכותי על ידי גירוי ישיר של קליפת המוח. מאז פותחו מכשירים שמיועדים לאתרים שונים במסלול החזותי. ניתן לסווג מכשירים אלה על פי אתר הפעולה לאורך המסלול החזותי לקליפת המוח, קורטיקליים, עצבי הראייה ורשתיות תותבות. עם התפתחות ההנדסה הביוטכנולוגית - הרשתית המלאכותית הפכה לתותב החזותי המתקדם ביותר. ניסויים קליניים עדיין מתבצעים בנושא זה. הרעיון נוסה לראשונה על ידי לירוי בשנת 1755, לשחזר ראייה פונקציונלית בעיוור באמצעות גירוי חשמלי עם אלקטרודות מסביב לראש. על פי הדיווחים, החולה ראה הבזקי אור והשמיע זעקות כאב. בשנת 1929 גילה פורסטר, נוירולוג ונוירוכירורג גרמני, כי על ידי גירוי חשמלי של האונה העורפית, מושא הניסוי שלו תיאר זרחות. בשנת 1933, שני מדענים גרמנים נוספים בשם קראוס ושהם, ערכו ניסוי על חולה המופוניה (אנ') באמצעות גירוי חשמלי של האונה העורפית. החולה דיווח על זרחות. מצאו כי גם אחרי שנים של אי-שימוש בקלט החזותי - קליפת המוח הראייתית אינה מאבדת את היכולת התפקודית שלה. בשנת 1956, אוסטרלי בשם גורהם טאסיקר (Graham Tassicker), הוציא פטנט של מכשיר תותב אלקטרוני, שתיאר כיצד תא סלניום רגיש הביא זרחות אם ממוקם מאחורי רשתית של חולה עיוור. בשנות השישים והשבעים, בריינדלי ודובל היו חלוצים בתחום הראייה המלאכותית על ידי השתלת אלקטרודות לקליפת הראייה והוכיחו כי הם הצליחו לגרום לזרחות עקבית. בשנת 1974, אומסטו (Uematsu) חקר את ההיתכנות של תותבת חזותית והצליח לעורר זרחות שהייתה חלקה מרפרפת וחלקה יציבה בעמידה. הזרחות שעורר הובדלה מרקע לבן פשוט לתבניות מלבניות מורכבות. התפתחות נוספת בתחום הייתה מוגבלת עד 1990 כאשר ההתקדמות בביו-חומרים, microfabrication, אלקטרוניקה וניתוח הרשתית הובילו למפל של התפתחויות בתחום הראייה המלאכותית: לא רק בפיתוח הרשתית המלאכותית, אלא גם במזעור של מכשירי גירוי קליפת המוח. בשנות ה-2000 יותר מ-20 קבוצות חוקרים ברחבי העולם מעורבות בפיתוח שתלי עיניים אך רק שתיים מהן קיבלו אישור להשתלה בבני אדם: Argus II ו- Alpha IMS. המוצרים עדיין אינם מחזירים ראייה לתפוקה תקינה, עם זאת הם משפרים את ראייתם ותפקודם של האנשים החולים. ישנם שלושה סוגים של תותבות רשתית המסווגים על פי בסיס מיקומם: epiretinal ,subretinal או suprachoroidal. כל התותבות החזותיות הכוללות מכשירי רשתית מלאכותית צריכות לבצע כמה פעולות בסיסיות. ראשית הן חייבות לזהות וללכוד את התמונה "מבוססת האור". לאחר מכן תמונה זו צריכה להפוך לגירוי חשמלי. התמרה זו נעשית על ידי מכשיר עיבוד חזותי או בצורת תא פוטואלקטרי. במקרה של תא פוטואלקטרי הגירוי יכול להיות מוגבר באופן משני על מנת ליצור גירוי גדול יותר ולעבור לתאי הרשתית הנותרים הסמוכים. הצלחת ההשתלה תלויה במסלול החזותי הבא: האות חייב לעורר תגובה פעילה בתאי הגנגליון. תאי הגנגליון מפעילים באמצעות האקסונים שלהם אזורים בקליפת המוח ודרך עצב הראייה גורמים לזרחות. מסיבה זו, הניסויים הקליניים הראשונים של תותבת רשתית היה מוגבל למחלות תורשתיות כמו רטיניטיס פיגמנטוזה. שתלי Epiretinal יושבים במשטח הפנימי של הרשתית, מגרים ישירות את תאי הגנגליון ועוקפים את כל שכבות הרשתית האחרות. שתלים כאלו מורכבים ממערך אלקטרודות פלטינה סיליקון על גבי שכבת הרשתית הפנימית. המערך מתייצב באמצעות מיקרו נעצים, יחד עם הלחץ מכני הקל הניתן על ידי הזגוגית. שתל כזה דורש מצלמת וידאו חיצונית לרכוש תמונות. המצלמה קולטת ומעבדת תמונות מהסביבה, ומקשרת את המידע למערך האלקטרודות של השתל באמצעות טלמטריה. מערכת כזו דורשת אספקת חשמל רציפה, והיא מקבלת זאת באמצעות סלילי השראה בתדר רדיו או לייזרי אינפרא-אדום. הסלילים מחוברים לסקלרה, והם יוצרים פולסים חשמליים שמגרים את הרשתית הפגועה עם השתל. המצלמה מחוברת למשקפי המטופל. עיבוד התמונה כרוכה בהפחתת הרזולוציה של התמונה והמרת התמונה לדפוס מרחב ובזמן של גירוי כדי להפעיל את התאים המתאימים ברשתית. שבב העיבוד צריך לזהות תנועה, פרטים, ניגודיות ועוד. מערכת השתל צריכה להיות מסוגלת לעבד תמונות בזמן אמת על מנת למנוע עיכוב מורגש בין קלט המצלמה וגירוי הרשתית. עיכוב כזה יכול לגרום לבלבול של תפיסה חזותית. שתלי subretinal יושבים על החלק החיצוני של הרשתית, בין שכבת קולטני האור (פוטורצפטורים) ואפיתל הפיגמנט ברשתית( retinal pigment epithelium(אנ')). מיקום השתל מוגבל מכנית על ידי המרחק הזה. גירוי הרשתית הוא ישיר משום שאופן הפעולה של שתלים אלו מסתמך על העיבוד הרגיל של שכבות הרשתית והמסלול החזותי. שתלים אלו מורכבים מפרוסות סיליקון דקות המכילות מיקרו פוטו-דיודות שממירות מיד את האור הנקלט לתוך תאי הרשתית הבסיסיים באמצעות מערכים של מיקרו אלקטרודות שעשויות מזהב או מטיטניום. הדפוס של הפוטו-דיודות מופעל על ידי אור, לכן השיטה מכוונת להפעלת תאי הרשתית הביפולריים (retinal bipolar cells) ותאי הגנגליון ומשם למוח - לתפיסה חזותית של תמונת האירוע המקורית. שתלים אלו אינם דורשים חומרה חיצוניים מעבר למערך הפוטו-דיודות המושתלות. עם זאת, חלק משתלי ה-subretinal דורשים כוח ממעגל חיצוני על מנת לשפר את אות התמונה. ראו אמצעי בשלבי ניסוי קליניים Photovoltaic retinal prosthesis(אנ') שתלי suprachoroidal יושבים בין הלובן העין לדמית העין. שתלים מסוג זה מיועדים לטיפול בחולי גלאוקומה. השתל בנוי ממערך אלקטרודות על מצע סיליקון דק ומקובע באמצעות אלקטרודות פלטינה. שתלים אלו פועלים כמו שתלי הרשתית האחרים, הם מסתמכים על המסלול החזותי ובתאי העצב אשר עדיין מתפקדים. סוגים מסוימים של שתלים בקליפת המוח יכולים באופן חלקי לשחזר את חוש הראייה ישירות על ידי גירוי קליפת המוח החזותית (קליפת הראייה). שיטה זו עוקפת נוירונים רבים של המסלול החזותי שנפגע, לכן יכולה לספק פתרון לא רק לחולים במחלות העיניים אלא גם לעיוורים. בשיטה זו משתילים את השתל, יחד עם אלקטרודות, לאזור קליפת המוח החזותית. אזור זה מגורה חשמלית באופן ישיר. כיוון שגירוי ישיר של החלק הזה של המוח אינו מספק תמונות שלמות לחולים (ישנם אזורים אחרים במוח שגם כן עובדים ומעבדים ראייה), יש צורך ביחידה חיצונית לקליטת האות ועיבודו. מערכת תותבת חזותית בקליפת המוח תהיה מורכבת ממצלמת וידאו ממוזערת בזוג משקפיים, מקודד עיבוד אותות כמו רשתית ומערכים של מיקרו-אלקטרודות המושתלים בקליפת המוח החזותית. הגישה של תותבים קורטיקליים טומנת בחובה סיכוני תחלואה ותמותה עקב נוכחות השתל. המרחק הפיזי בין האלקטרודות לקליפת המוח מחייב שימוש בזרם חזק יותר, שיוצר נזק גם לרקמה שכנה. ההבנה של תהליכי הראייה (כמו צבע, עומק או תנועה) מוגבלת מאוד, לכן ניסיונות רבים לפיתוח שתל בגישה הקורטיקלית לא צלחו ולא הרבה חוקרים המשיכו את הפיתוח בכיוון זה. גישה נוספת לטיפול בעיוורון, הבא לידי ביטוי בלקות ברשתית, הוא טיפול ביוטכנולוגי. צורה אחת היא של הזרקת גורמים ליצירת חלבונים רגישים לאור (אופטוגנטיקה). צורה שנייה היא של ריפוי גנטי כנגד לקות בביטוי חלבונים הקשורים למסלול ה-phototransduction(אנ'), והיא מתבססת על כך שגורמי לקות ראייה רבים קשורים לבעיה בביטוי חלבוני. לקות ראייה מחלות עיניים עיוורון מוח עין אנושית לוקסטורנה - תרופה גנטית לטיפול ברטיניטיס פיגמנטוזה (גן RPE65) ובתסמונת לבר (אנ') http://www.journals.elsevier.com/experimental-eye-research/ http://www.iser.org/ מדיה וקבצים בנושא ראייה מלאכותית בוויקישיתוף הרשתית המלאכותית של Argus II הרשתית המלאכותית של Alpha IMS המחקר בנושא התותבת בקליפת הראייה תותבת קורטיקלית ראייה מלאכותית, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית) LeRoy. C, O'ul’on rend compte de quelques tentatives quel’ on a faites pour gu´erir plusieurs maladies par l’´electricit´e. hist acad roy sciences (paris). M´emoire MathPhys,1755, 60:87-95. Foerster O. Beitriige zur Pathophysiologie der Sehbahn und der Sehsphare. J Psychol Neuro, Lpz 1929; 39: 463–85 Krause F, Schum H. Die epileptischen Erkrankungen. In: Kuttner H, ed. Neue Deutsche Chirurgie. Vol. 49a. Stuttgart: Enke, 1931; 482–6. Tassicker GE. Preliminary report on a retinal stimulator. Br J Physiol Opt 1956; 13: 102–5 Brindley GS, Lewin WS. The sensations produced by electrical stimulation of the visual cortex. J Physiol 1968; 196: 479–93. Brindley GS, Lewin WS. The visual sensations produced by electrical stimulation of the medial occipital cortex. J Physiol 1968; 194: 54–5P. Dobelle WH, Mladejovsky MG, Girvin JP. Artifical vision for the blind: electrical stimulation of visual cortex offers hope for a functional prosthesis. Science 1974; 183: 440–4. Dobelle WH, Mladejovsky MG. Phosphenes produced by electrical stimulation of human occipital cortex, and their application to the development of a prosthesis for the blind. J Physiol 1974; 243: 553–76. Uematsu S, Chapanis N, Gucer G, Konigsmark B, Walker AE. Electrical stimulation of the cerebral visual system in man. Confin Neurol 1974; 36: 113–24. Feasibility of a visual prosthesis for the blind based on intracortical micro stimulation of the visual cortex;E. M. Schmidt, M. J. Bak, F. T. Hambrecht, C. V. Kufta, D. K. O'Rourke, P. Vallabhanath;DOI: http://dx.doi.org/10.1093/brain/119.2.507 507-522 First published online: 1 April 1996 G. Chader; J. Weiland; M. Humayun (2009). "Artificial vision: needs, functioning, and testing of a retinal electronic prosthesis". Progress in Brain Research 175: 0079–6123. J. Weiland; T. Liu; M. Humayun (2005). "Retinal prosthesis". Annual Review of Biomedical Engineering 7: 361–401. doi:10.1146/annurev.bioeng.7.060804.100435 E. Zrenner (2002). "Will retinal implants restore vision?". Science 295: 1022–5 Naïg Aurelia Ludmilla Chenais, Marta Jole Ildelfonsa Airaghi Leccardi, Diego Ghezzi, Photovoltaic retinal prosthesis restores high-resolution responses to single-pixel stimulation in blind retinas, Communications Materials 2, 2021-03-05, עמ' 1–16 doi: 10.1038/s43246-021-00133-2 Villalobos J Allen PJ McCombe MF Development of a surgical approach for a wide-view suprachoroidal retinal prosthesis: evaluation of implantation trauma. Graefes Arch Clin Exp Ophthalmol . 2012; 250: 399–407. Normann RA, Greger B, House P, Romero SF, Pelayo F, Fernandez E. Toward the development of a cortically based visual neuroprosthesis. J Neural Eng 2009; 6: 035001. E. Zrenner (2002). "Will retinal implants restore vision?". Science 295: 1022–5. doi:10.1126/science.1067996 José-Alain Sahel, Elise Boulanger-Scemama, Chloé Pagot, Angelo Arleo, Francesco Galluppi, Joseph N. Martel, Simona Degli Esposti, Alexandre Delaux, Jean-Baptiste de Saint Aubert, Caroline de Montleau, Emmanuel Gutman, Isabelle Audo, Jens Duebel, Serge Picaud, Deniz Dalkara, Laure Blouin, Magali Taiel, Botond Roska, Partial recovery of visual function in a blind patient after optogenetic therapy, Nature Medicine 27, 2021-07, עמ' 1223–1229 doi: 10.1038/s41591-021-01351-4 Sara Reardon, Injection of light-sensitive proteins restores blind man’s vision, Nature, 2021-05-24 doi: 10.1038/d41586-021-01421-0 Office of the Commissioner, FDA approves novel gene therapy to treat patients with a rare form of inherited vision loss, FDA, ‏2020-03-24 (באנגלית) https://www.enaim.co.il/מעורבות-העין-במחלות-גנטיות