ראייה מלאכותית

ראייה מלאכותית היא תחום מחקר ופיתוח העוסק ביצירת תחליפים טכנולוגיים לתפיסה חזותית, במטרה לשקם או להחליף את כושר הראייה בקרב אנשים עם לקויות ראייה קשות, כולל עיוורון מלא. הרעיון של יצירת תחושת ראייה באמצעים מלאכותיים נחקר עוד מהמאה ה-18, אז דווח לראשונה על הופעת רשמים חזותיים (כגון הבזקי אור) בעקבות גירוי ישיר של קליפת המוח. לאורך השנים פותחו איברים חזותיים תותבים המיועדים לפעול באתרים שונים לאורך המסלול הראייתי – מהרשתית ועד לקליפת המוח. תותבים אלה מסווגים לפי מיקום הפעולה: רשתיים (רשתית), עצביים (עצבי הראייה) או קורטיקליים (קליפת המוח הראייתית). עם ההתקדמות בטכנולוגיה ובביוהנדסה, הפכה הרשתית המלאכותית לאחת מהמערכות המתקדמות ביותר בתחום זה, אם כי ניסויים קליניים והמחקר הבסיסי עדיין נמשכים.

 היסטוריה 
הרעיון לשחזור ראייה באמצעות גירוי חשמלי של מערכת הראייה נוסה לראשונה כבר בשנת 1755, כאשר הרופא הצרפתי Charles LeRoy השתמש באלקטרודות סביב ראשו של אדם עיוור בניסיון לגרום לו לראות. הנבדק דיווח על הבזקי אור, אך גם השמיע זעקות כאב.

בשנת 1929 גילה הנוירולוג והנוירוכירורג הגרמני אוטו פורסטר (Otto Foerster) כי ניתן לעורר תחושות חזותיות באמצעות גירוי חשמלי של האונה העורפית, בה מצויה קליפת המוח הראייתית.

בשנת 1933 ערכו החוקרים הגרמנים קראוס (Krause) ושֶהם (Schum) ניסוי נוסף בגירוי האונה העורפית של חולה המופוניה . החולה דיווח על זרחות. תצפיותיהם העלו כי קליפת המוח הראייתית שומרת על יכולת תפקודית גם לאחר שנים של חוסר בגירוי חזותי.

בשנת 1956 רשם האוסטרלי גראהם טאסיקר (Graham Tassicker) פטנט על מכשיר אלקטרוני ניסיוני, בו נעשה שימוש בתא סלניום רגיש לאור אשר גרם להופעת פוספנים (Phosphene) כאשר הוצב מאחורי רשתית של מטופל עיוור.

בשנות ה-60 וה-70 של המאה ה-20, חוקרים כמו בריינדלי (Brindley)  ודובל (Dobelle) היו מהראשונים שפיתחו מערכות לראייה מלאכותית על ידי השתלת אלקטרודות ישירות לקליפת המוח הראייתית. ניסויים אלה הדגימו יכולת עקבית לעורר פוספנים אצל נבדקים.

בשנת 1974 חקר אומסטו (Uematsu) את האפשרות ליצירת תותב חזותי מתקדם. הוא הצליח לעורר אצל נבדקים פוספנים שנעו בין הבזקי אור רפרפיים לבין תבניות גאומטריות יציבות, דוגמת מלבנים.

התקדמות נוספת בתחום נבלמה למשך מספר שנים, עד לשנות ה-90, אז פריצות דרך בחומרים ביולוגיים, בטכנולוגיות ייצור מיקרוסקופיות (microfabrication), באלקטרוניקה רפואית ובשיטות ניתוח עדינות של הרשתית – הובילו להתעוררות מחודשת בתחום. השיפורים הללו אפשרו פיתוח תותבים חזותיים מתקדמים, כולל רשתיות מלאכותיות ומזעור של מכשירים לגירוי קליפת המוח.

בשנות ה-2000 למעלה מ-20 קבוצות מחקר ברחבי העולם עסקו בפיתוח שתלי ראייה לבני אדם. רק שניים מהמכשירים – Argus II ו־Alpha IMS – קיבלו אישור להשתלה בבני אדם. אמנם מערכות אלה אינן מחזירות ראייה מלאה, אך הן מאפשרות שיפור תפקודי משמעותי בראייה עבור חלק מהמטופלים.

 רשתית מלאכותית 
שמאל|ממוזער|400px|רשתית מלאכותית
רשתית מלאכותית היא אחד מסוגי התותבים החזותיים המתקדמים ביותר, ומיועדת לשחזור תפקוד הראייה במקרים של פגיעה בקולטני האור שברשתית, כגון מחלות ניווניות תורשתיות. קיימים שלושה סוגים עיקריים של שתלים רשתיים, המסווגים לפי מיקומם בתוך גלגל העין:

 Epiretinal – על פני השטח הפנימי של הרשתית
 Subretinal – בין שכבת הפוטורצפטורים לאפיתל פיגמנט הרשתית
 Suprachoroidal – בין השכבה הדמית (כורואיד) ללובן העין (סקלרה)

 אופן הפעולה 
כל השתלים הרשתיים, ללא תלות במיקומם, פועלים לפי עיקרון דומה: ראשית הן מזהות ולוכדות את התמונה "מבוססת האור". לאחר מכן המידע עובר עיבוד והמרה לאותות חשמליים שמגרים את תאי הרשתית או את תאי הגנגליון. 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 בתפקודו של המסלול החזותי – כלומר, היכולת של אותות גירוי לעבור דרך עצב הראייה ולהגיע לקליפת המוח הראייתית, שם מתפרשים הפוספנים כתמונה חזותית. בשל דרישה זו, הניסויים הקליניים הראשונים של שתלים רשתיים היו למחלות שבהן קולטני האור נהרסים, אך שאר מרכיבי מערכת הראייה (כגון עצב הראייה והמוח) נותרו תקינים – לדוגמה, במחלות כמו רטיניטיס פיגמנטוזה.

 שתלים אפירטינליים (Epiretinal) 
שתלים אפירטינליים ממוקמים על פני השטח הפנימי של הרשתית ומגרים ישירות את תאי הגנגליון, תוך עקיפת שכבות הרשתית הפגועות. הם כוללים מערך אלקטרודות זעירות, לרוב מפלטינה, המקובע על גבי סיליקון. המערך מיוצב באמצעות מיקרו-נעצים ולחץ עדין של הזגוגית הפנימית של העין.

שתל כזה כולל מצלמת וידאו חיצונית הממוקמת על גבי משקפיים. המצלמה קולטת את התמונה, מעבדת אותה ומעבירה את המידע באופן אלחוטי אל השתל באמצעות טכנולוגיית טלמטריה. השתל מתרגם את האותות שהתקבלו לפולסים חשמליים שמגרים את תאי הרשתית. אספקת החשמל נעשית באמצעות סלילי השראה בתדר רדיו המחוברים ללובן העין או קרני לייזר אינפרא-אדומות. 

מערכת זו דורשת עיבוד תמונה מהיר במיוחד, כולל זיהוי תנועה, ניגודיות, ופרטים מרחביים, כדי למנוע השהיה (Latency) שעלולה לגרום לעיוות בתפיסה החזותית של המשתמש.

 שתלים סוברטינליים (Subretinal) 
שתלי Subretinal מושתלים בחלק החיצוני של הרשתית, בין שכבת קולטני האור הפגועה לאפיתל פיגמנט הרשתית (Retinal Pigment Epithelium). הם פועלים בסנכרון עם השכבות הפנימיות של הרשתית, ובכך מנצלים את מנגנון העיבוד הטבעי של מערכת הראייה.

השתל כולל פרוסת סיליקון דקה, שבה משולבים מיקרו-פוטו-דיודות ומערך של מיקרו-אלקטרודות (עשויות זהב או טיטניום). כאשר אור פוגע בפוטו-דיודות, הוא מומר ישירות לגירוי חשמלי שמפעיל את תאי הרשתית – בעיקר תאים ביפולריים ותאי גנגליון – ומעביר את המידע הלאה לעצב הראייה ולמוח.

שתלים מסוג זה פועלים לרוב ללא צורך ברכיבים חיצוניים, אך במקרים מסוימים נדרש מקור אנרגיה חיצוני להגברת האות. אחד הפיתוחים בתחום זה הוא השתל מסוג Photovoltaic retinal prosthesis, הנמצא בשלבי ניסוי קליני.

 שתלים סופראכורואידליים (Suprachoroidal) 
שתלים סופראכורואידליים ממוקמים בין לובן העין (Sclera) לבין דמית העין (Choroid) ומיועדים לטיפול בחולי גלאוקומה. השתל מורכב ממערך אלקטרודות על מצע סיליקון דק ומקובע באמצעות אלקטרודות פלטינה. שתלים אלו פועלים כמו שתלי הרשתית האחרים ומסתמכים על המסלול החזותי ותאי העצב שעדיין מתפקדים.

 תותבים קורטיקליים 
שמאל|ממוזער|250px|מבט המוח מאחור. האזור האדום: הקליפת הראייתיתתותבים קורטיקליים (Cortical Implants) הם שתלים עצביים המיועדים לשחזר באופן חלקי את חוש הראייה באמצעות גירוי חשמלי ישיר של קליפת המוח הראייתית (Visual Cortex). בניגוד לשתלים רשתיים, הפועלים ברמת העין ועצב הראייה, תותבים קורטיקליים עוקפים את מרבית המסלול החזותי הפגוע ומעוררים את המוח באופן ישיר. לפיכך, גישה זו עשויה לספק פתרון גם עבור אנשים הסובלים מעיוורון, נזק מוחלט לעין או לעצב הראייה, ולא רק ממחלות רשתית.

במערכת זו מושתלות אלקטרודות זעירות באזור קליפת המוח האחורית, בה מתבצע עיבוד ראשוני של מידע חזותי. גירוי חשמלי של אלקטרודות אלו גורם למטופלים לחוות פוספנים, אשר משמשים כבסיס ליצירת תפיסה חזותית. עם זאת, יש צורך ביחידה חיצונית לקליטת האות ועיבודו מאחר שראייה תקינה מערבת רשת מורכבת של אזורים קורטיקליים נוספים, הגירוי הישיר של קליפת הראייה לבדו אינו יוצר תמונה שלמה וברורה. מערכת תותבת חזותית קורטיקלית טיפוסית כוללת מצלמת וידאו זעירה המשולבת במשקפיים, יחידת עיבוד אותות (הפועלת בדומה לרשתית), ומערך של מיקרו-אלקטרודות מושתלות במוח. המצלמה קולטת את התמונה, ממירה אותה לאות חשמלי באמצעות מקודד, והאות מועבר לאלקטרודות בקליפת הראייה המעוררות את פעילות הנוירונים המקומיים.

 אתגרים וסיכונים 
הגישה הקורטיקלית כרוכה באתגרים רפואיים וטכנולוגיים משמעותיים. המרחק הפיזי בין האלקטרודות לרקמת המוח מחייב שימוש בעוצמות זרם גבוהות יחסית, העלולות לגרום לנזק לרקמות סמוכות. בנוסף, ההבנה המדעית של האופן שבו המוח מקודד היבטים מורכבים של ראייה — כגון צבע, עומק ותנועה — עדיין מוגבלת.

עקב קשיים אלו, ניסיונות של פיתוח שתלים קורטיקליים הניבו תוצאות חלקיות בלבד, ורבים מהמחקרים בתחום נתקלו במגבלות טכנולוגיות ובסיכוני בטיחות שגרמו לחוקרים לנטוש את הפיתוח.

טיפול ביוטכנולוגי
גישה נוספת לטיפול בעיוורון הנובע מפגיעה ברשתית היא גישה ביוטכנולוגית. שיטה אחת מבוססת על הזרקת גורמים המעודדים יצירת חלבונים רגישים לאור (אופטוגנטיקה). שיטה נוספת היא ריפוי גנטי, המיועדת לטיפול בליקויים בביטוי חלבונים הקשורים למסלול ה-phototransduction. גישה זו נשענת על ההבנה שרבים מגורמי לקות הראייה נובעים מבעיות בביטוי חלבוני.

 ראו גם 
 לקות ראייה
 מחלות עיניים
 עיוורון
 מוח
 עין אנושית
לוקסטורנה - תרופה גנטית לטיפול ברטיניטיס פיגמנטוזה (גן RPE65) וב

לקריאה נוספת
 http://www.journals.elsevier.com/experimental-eye-research/
 http://www.iser.org/

 קישורים חיצוניים 

 הרשתית המלאכותית של Argus II
 הרשתית המלאכותית של Alpha IMS
 המחקר בנושא התותבת בקליפת הראייה
 תותבת קורטיקלית


 הערות שוליים 

קטגוריה:ביוטכנולוגיה
קטגוריה:הפרעות בראייה ועיוורון