Strona
główna

Prace studenckie

SZTUCZNE OKO

"01-10-1999. Kamera w okularach, komputer u pasa, elektrody w mózgu. Słowem, sztuczne widzące oko. Uczeni nie wątpili, że to kiedyś nastąpi. Ale mało kto wierzył, że tak szybko Na pierwszy rzut oka Jerry wygląda jak inni niewidomi - tułów lekko odchylony do tyłu, ostrożny chód, ciemne okulary na skupionej twarzy. Brak mu tylko białej laski. Za chwilę okaże się, czy rzeczywiście jest mu niepotrzebna. Kilku mężczyzn prowadzi go do pokoju, w którym nigdy nie był. Na ich znak Jerry robi kilka kroków, obchodzi stojącego na środku manekina, dochodzi do ściany. Z wieszaka zdejmuje kapelusz, ponownie podchodzi do manekina i nakłada mu go na głowę. Oklaski, próba wypadła pomyślnie. Jerry naprawdę widzi. Choć jest niewidomy." Droga do prawdziwego przywrócenia wzroku osobom niewidomym jeszcze przed nami daleka. Ale pierwsze kroki na tej drodze zostały już poczynione.

HISTORIA

Pierwsze protezy oczne powstawały w XVI wieku, wykonywane były ze złota lub srebra. Miały na celu jedynie wypełnienie pustego oczodołu. W początkach XV wieku w Wenecji wykonano pierwsze protezy oczne szklane, o specjalnym kształcie. Były one szersze od strony skroniowej niż nosowej. W 1898 roku Muller wprowadził protezy oczne w postaci cienkich blaszek. Od 1944 roku produkuje się protezy z żywic akrylowych - lżejsze i trwalsze. Poza protezami gałek ocznych, które mają jedynie znaczenie estetyczne, istniał i nadal istnieje, wielki problem skonstruowania aparatów, które by osobom ślepym mogły zastąpić wzrok. Pionierem tego typu poszukiwań był polski okulista K. Noiszewski, który w 1889 roku skonstruował pierwszy model aparatu, tzw. "elektroftalm". Noiszewski w swoim pomyśle wykorzystał zmienność przewodnictwa elektrycznego selenu w zależności od jego naświetlenia. Zasadniczą wadą tej konstrukcji była duża wielkość i ciężar.

IMPLANTY OCZODOŁOWE I SZTUCZNE OCZY

W poszukiwaniach protezy oka istnieją 2 zasadnicze kierunki badań. Jeden zajmujący się skonstruowaniem doskonałej protezy gałki ocznej, ale protezy tylko przywracającej estetyczny wygląd twarzy pacjenta, i drugi, poszukujący możliwości przywrócenia wzroku osobom niewidzącym. Zajmijmy się najpierw samymi protezami. Kiedy oko zostaje usunięte, implant oczodołowy jest potrzebny by zapełnić przestrzeń w oczodole, która dotąd była zajęta przez oko. Mały, sferyczny implant utrzymuje naturalną strukturę oczodołu i zapewnia podporę dla sztucznego oka. Sam implant nie jest widzialny. Na jego powierzchni umieszczone zostaje sztuczne oko. Jest ono po to, aby zapewnić naturalny wygląd oka i otaczających tkanek. Sztuczne oczy są robione z plastiku(akrylowego) lub szkła. Zazwyczaj są wykonywane ręcznie przez specjalistów, tak, by dokładnie odtworzyć wygląd naturalnego oka. Implanty pierwszej generacji były dużym udogodnieniem dla pacjentów noszących sztuczne oko, jednakże były one niezdolne do zachowania naturalnych ruchów gałek ocznych. Ten brak ruchu był przeszkodą do uzyskania naturalnego wyglądu, co czyniło znacznie trudniejszym przystosowanie się pacjenta do protezy oka. Miały także skłonność do migrowania w oczodole i były często odrzucane przez ciało, co z kolei powodowało konieczność operacji. Wszystkie te problemy były inspiracją do poszukiwań lepszego implantu oczodołowego. Cel bardziej naturalnego wyglądu został w końcu osiągnięty z pomocą materiału naturalnego: korala oceanicznego. Odkryto zadziwiające podobieństwo pomiędzy porowatą strukturą pewnego gatunku korala i strukturą ludzkiej kości. Niedługo potem została wynaleziona metoda pozwalająca na transformację minerału z korala, tak by pasował do tego z ludzkiej kości, znanego jako hydroksyapatyt. Ten nowy, naturalnie otrzymywany materiał, ma zarówno porowatą jak i chemiczną strukturę kości. Pozostałe tkanki są w stanie zaakceptować taki implant, a nawet wrastać do naturalnie otrzymanych implantów z hydroksyapatytu. Mięśnie poruszające gałka oczną mogą być bezpośrednio przyczepione do implantu, umożliwiając jego synergiczne ruchy z drugim okiem. Część tych ruchów może być ponadto bezpośrednio przekazywana sztucznemu oku dzięki jego dokładnemu przyleganiu do implantu. Jeśli chcemy bardziej precyzyjnego zakresu ruchów możemy użyć tytanowego kołka łączącego sztuczne oko z implantem. Tym sposobem najmniejsze ruchy mięsni mogą być przekazane sztucznemu oku zapewniając jego naturalny wygląd.

MARZENIA O PRZYWRÓCENIU WZROKU

Najsłynniejszy niewidomy człowiek świata, pacjent o imieniu Jerry stracił wzrok 30 lat temu. Dziś ten 66-letni mężczyzna może mówić o szczęściu w nieszczęściu. William Dobelle - szef i założyciel nowojorskiego Dobelle Institute - wytypował go do eksperymentu zwiastującego przełom w leczeniu ślepoty. Opracowane przez jego zespół urządzenie można określić mianem oka przyszłości. Składa się ono z trzech modułów: okularów, komputera i elektrod. Lewe szkło ciemnych okularów kryje miniaturową kamerę, prawe - ultra- dźwiękowy detektor odległości. Płynące z nich impulsy trafiają za pośrednictwem czterech przewodów do komputera ukrytego w przypominającej chlebak niewielkiej torbie. Tam następuje ich elektroniczna obróbka polegająca na wzmocnieniu niezbędnych i wyeliminowaniu zbędnych informacji (głównie tzw. szumu tła). Uszlachetnione sygnały kierowane są z chlebaka z powrotem w stronę głowy: grubą wiązką przewodów docierają do 68 platynowych elektrod wszczepionych do mózgowego ośrodka wzroku. Każda z nich wytwarza do czterech świetlnych punkcików jarzących się niczym gwiazdy na nieboskłonie. Na podstawie konfiguracji punkcików i intensywności, z jaką się świecą, mózg buduje sobie obraz otoczenia. Dzięki temu niewidomy dostrzega zarysy znajdujących się przed nim przedmiotów, zwłaszcza jeśli odcinają się one od otoczenia, tak jak ciemny kapelusz na tle białej ściany. Może też z odległości nie przekraczającej metra przeczytać tekst złożony z liter nie mniejszych niż pięciocentymetrowe. - To wystarczy, by bezpiecznie poruszać się po nieznanym mieście - uważa Dobelle. - Ale pod warunkiem zachowania maksymalnej ostrożności - dodaje dr Bill Heetderks kierujący badaniami dotyczącymi elektronicznych implantów w mózgu. - Problem w tym, że aparat Dobelle'a nie czyni z niewidomego widzącego, ale mocno niedowidzącego: umożliwia zidentyfikowanie z 20 metrów takiego przedmiotu, którego dostrzeżenie dla zdrowego człowieka nie będzie problemem nawet z odległości dwudziestokrotnie większej. No i zawężone pole widzenia - porównywalne z tym, jakie dawały wizjery w czołgach z pierwszej wojny. Tzw. widzenie tunelowe uniemożliwia dostrzeżenie nadbiegającej z boku osoby. Mimo tych zastrzeżeń uważam aparat Dobelle'a za rewelację - podkreśla Heetderks. - Choć niecałkowicie, to jednak przywraca wzrok. Sukces ten był ukoronowaniem trwających blisko 30 lat prac Dobelle'a na tym polu. Już w 1970 r. po raz pierwszy umieścił on elektrody w korze wzrokowej u trzech niewidomych mężczyzn i podłączył je do aparatury pierwszej generacji. Był to komputer o wielkości sporej biblioteczki i wadze półtorej tony. Osiem lat później jego pacjentem został Jerry . Przez ponad dwadzieścia lat Jerry żył z warkoczem przewodów wyrastającym zza prawego ucha. Dopiero jednak ostatnia, 21. generacja komputera wchodzącego w skład sztucznego oka okazała się na tyle doskonała, by umożliwić mu chodzenie bez białej laski.

STAN BADAŃ NA DZIŚ

Od 1960 roku aż do swej śmierci W. Starkiewicz pracował nad aparaturą zbudowaną na zasadach elektronicznych. Jego sztuczne oko miało 300 komórek fotoelektrycznych. Bodźce świetlne chwytane przez fotokomórki były przetwarzane na prąd elektryczny, który uruchamiał 300 małych dotykadeł. Te ostatnie wywierając nacisk na skórę dawały ociemniałemu sygnał, z której strony jest przestrzeń jasna, a z której ciemna. Lions Vision Research and Rehabilitation Center Wilmer Eye Institute, John Hopkins University School of Medicine opracował możliwość choć częściowego przywrócenia wzroku osobom niewidzącym. Jest to "wzrok elektroniczny". Urządzenie składa się z okularów z kamerą i wachlarza elektrod. Podobnie jak u Jerry'ego kamera poprzez elektrody przekazuje korze wzrokowej informacje o rozmieszczeniu punktów o różnym natężeniu światła w otoczeniu. Dla pacjentów z częściowym ubytkiem wzroku ważny jest też fakt, iż kamera umieszczona w okularach może śledzić równocześnie ruch żrenicy. Potrafi tym sposobem uzupełnić ubytki w polu widzenia pacjenta. Naukowcy z Massachussetts Institute of Technology and Harvard Medical School pracują implantem - elektrodami wszczepianymi bezpośrednio do siatkówki. Obrazy uzyskiwane przez kamerę odpowiadają dokładnie elektrycznym sygnałom przekazywanym neuronom oka. Jak na razie MIT-Harvard implant był testowany tylko na królikach, nie na ludziach. Ale w przeciwieństwie do implantów umieszczanych głębiej w układzie wzroku protezy można umieszczać w siatkówce używając dzisiejszej chirurgii. "Opracowaliśmy elektronikę, potrafimy już umieścić to urządzenie w gałce ocznej bez jej uszkadzania i udowodniliśmy, że użyte materiały są biologicznie kompatybilne" - mówi Joseph Rizzo. Badacze z Harvardu stworzyli implant składający się z dwu chipów- Jedna z płytek jest światłoczułym panelem- Padające na niego światło powoduje powstanie sygnałów światła laserowego. W drugim panelu rozbłyski te wytwarzają impulsy, przekazywane następnie do mózgu. Bioniczne oko byłoby nieocenionym darem dla niewidomych. którzy mają co prawda uszkodzoną siatkówkę, ale ciągle sprawne połączenia nerwowe oka z mózgiem. Badaczom z Catholic University of Louvain udało się stymulować bezpośrednio nerw wzrokowy. Zaletą tej metody jest to, że nie potrzebuje dużej liczby elektrod. To urządzenie posiada zwój, który owija się dookoła nerwu wzrokowego z tylko 4 punktami kontaktu elektrycznego. Interesującymi metodami są również "The vOICe" i PSVA, których celem jest przekazanie informacji wizualnych poprzez system dżwięków. Badania neurologiczne wykazały, że ludzki mózg może się adaptować i na przykład spowodować, by kora wzrokowa odpowiadała na bodżce dżwiękowe. Jednakże funkcjonalne zastosowanie tych odkryć wymaga jeszcze badań. W California Institute of Technology zbudowano elektroniczne chipy, które naśladują neurobiologiczne obwody związane z procesem widzenia. Czujnik składa się z wachlarza fotoreceptorów połączonych z analogowym obwodem w każdym elemencie obrazu(pikselu) tak jak siatkówka. Jak siatkówka, czujnik może się adaptować do zmian w jasności, tak samo jak wykrywać kąty, czasowe zmiany sygnału i wykrywać ruch.

HODOWLA NEURONÓW

Najbardziej chyba fantastycznym pomysłem na przywracanie wzroku jest łączenie neuronów bezpośrednio z płytkami krzemowymi. Pierwszym krokiem powinno być wykazanie, ze pojedyncze neurony mogą istnieć i rozwijać się na płytce krzemowej. Potem należy przyłączyć płytkę krzemową wprost do żywego neuronu w organizmie zwierzęcia, na przykład robaka. Następnym etapem powinno być udowodnienie, że również ludzkie neurony można podłączyć do krzemowego mikroprocesora. W 1995 roku w Instytucie Maxa Plancka. niedaleko Monachium, grupa biofizyków pod kierunkiem Petera Fromberza przeprowadziła eksperyment o ogromnym znaczeniu naukowym- Badacze ci ogłosili, że udało im się wytworzyć pracujące połączenie neuronu pijawki z koście miki o procesora - spoić hardware z "wetware". Pobudzony neuron wysyłał sygnał do mikroprocesora, a sygnał z chipa pobudzał neuron. Metody zastosowane przez zespół Fromherza powinny okazać się przydatne także w pracy nad neuronami ludzkimi. Jak dotąd Fromherzowi udało się wytworzyć 16 połączeń pomiędzy pojedynczym neuronem a procesorem. Kolejny bardzo ważny eksperyment przeprowadził w 1996 roku Richard Potember z Uniwersytetu Johnsa Hopkinsa, udało mu się doprowadzić do tego, że neurony młodych szczurów zaczęty rosnąć na powierzchni płytki krzemowej, na którą naniesiono pożywkę białkową. Neurony te wypuściły dendryty i aksony zupełnie jak zwykłe neurony w tkance. Potember i jego zespół zamierzają docelowo hodować neurony w taki sposób, żeby ich aksony i dendryty układały się w pewien z góry zaplanowany wzór, wytwarzając w ten sposób"żywe obwody" na powierzchni krzemu. Jeśli się to uda, neurony zostaną zmuszone do przyjęcia zaprojektowanej architektury obwodów logicznych na chipie. Z dotychczas przeprowadzonych badań wynika, ze można elektrycznie stymulować uszkodzone pręciki i czopki w siatkówce oka zwierząt, dzięki czemu powstają sygnały odbierane w korze mózgowej. W przyszłości możliwe stanie się podłączanie wprost do mózgu sztucznych oczu, które zapewnią nam znacznie lepszą ostrość i wszechstronność widzenia niż nasze własne oczy. Ludzkie oko jest bardzo podobne do oka malpy. Podobnie jak małpy, potrafimy rozróżniać tytko pewne barwy i nie widzimy kolorów postrzeganych przez inne zwierzęta (na przykład pszczoły widzą również w nadfioleclel. Sztuczne oko mogłoby zapewnić nam nadludzkie możliwości. Moglibyśmy dysponować mikroskopową lub teleskopową perspektywą albo postrzegać świat w podczerwieni czy nadfiolecie. Tak więc w przyszłości możliwe stanie się rozszerzenie zdolności widzenia poza zakres normalnego postrzegania.