Informasi

Bisakah kita langsung merangsang kerucut M di retina dengan teknologi saat ini?

Bisakah kita langsung merangsang kerucut M di retina dengan teknologi saat ini?


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Saya ingin tahu apakah kita dapat mencoba melihat warna "hijau super" imajiner dengan merangsang kerucut M secara langsung. Untuk ini saya kira kita perlu:

  1. Memindai retina manusia tertentu secara non-destruktif untuk menemukan posisi yang tepat dari sel kerucut M.
  2. Siapkan gambar beresolusi tinggi (saya kira pada tampilan seperti retina), yang akan memiliki titik terang di beberapa lokasi dan gelap di tempat lain, sehingga ketika manusia yang kami periksa melihat pada titik tertentu dari gambar, titik cahaya ini terfokus tepat pada kerucut M.
  3. Lacak gerakan mata dan sesuaikan gambar sehingga kerucut S dan L menghindari paparan yang signifikan untuk mencegah kesalahan persepsi.

Apakah hal ini sulit diterapkan dengan teknologi saat ini, mengingat sifat khas retina manusia (kepadatan kerucut M, warna yang tampak, dll.)?

Jika ini benar-benar mungkin, apakah eksperimen seperti itu sudah pernah dilakukan?


Anda mungkin telah melihat laporan berita sekarang, di mana para peneliti menargetkan dan merangsang sel kerucut individu di mata sukarelawan: "Representasi dasar dari penglihatan spasial dan warna di retina manusiaRamkumar Sabesan, et. al. (2016). Eksperimen ini adalah pertama kalinya para peneliti menargetkan dan merangsang sel kerucut individu. Eksperimen sebagian besar melibatkan L- dan M-Kerucut, meskipun penelitian yang dipublikasikan mencatat respons yang diperoleh dari S- Kerucut juga. Para peneliti menggunakan sinar laser 543 nm (bandwidth 25 nm) dan sistem pelacakan optik yang mirip dengan yang digunakan para astronom untuk mengoreksi distorsi atmosfer. Jadi, ya, teknologi itu ada, tetapi sepertinya itu sangat baru dalam aplikasi ini. bahwa belum ada yang melakukan eksperimen lain dengannya.


Teknologi tidak cukup maju untuk mencapai stimulasi spesifik reseptor. Mengenai kebutuhan yang Anda tetapkan:

1) Mengidentifikasi kerucut M: Sudah sulit untuk membedakan kerucut dari batang di retina (Turpin et al, 2011), apalagi mengidentifikasi tiga kelas kerucut.

2) Gambar mosaik retina Anda secara teoritis mungkin, meskipun piksel yang sangat kecil akan dibutuhkan.

3) Pelacakan mata dapat dilakukan, tetapi tidak pada tingkat akurasi ini. Penundaan dalam sistem hampir pasti akan mengakibatkan aktivasi sementara reseptor lain.


Bisakah kita langsung merangsang kerucut M di retina dengan teknologi saat ini? - Biologi

Kontribusi penelitian genetika terhadap ilmu penglihatan warna normal dan cacat selama beberapa dekade sebelumnya ditinjau dengan menekankan perkembangan dalam 25 tahun sejak edisi ulang tahun terakhir Vision Research. Pemahaman biologi yang mendasari penglihatan warna telah dikembangkan melalui penerapan alat genetika molekuler. Untuk semua kerumitannya, proses biologis yang bertanggung jawab untuk penglihatan warna lebih mudah diakses daripada banyak sistem saraf lainnya. Ini sebagian karena kekayaan variasi genetik yang memengaruhi persepsi warna, baik di dalam maupun di antara spesies, dan karena komponen sistem penglihatan warna memungkinkan manipulasi genetik. Mutasi dan penataan ulang pada gen yang mengkode pigmen kerucut sensitif panjang gelombang panjang, menengah, dan pendek bertanggung jawab atas defisiensi penglihatan warna dan mutasi telah diidentifikasi yang mempengaruhi jumlah jenis kerucut, spektrum penyerapan pigmen, fungsionalitas dan kelangsungan hidup sel kerucut. kerucut, dan topografi mosaik kerucut. Penambahan gen opsin, seperti yang terjadi dalam evolusi penglihatan warna primata, dan telah dilakukan pada hewan percobaan dapat menghasilkan kapasitas penglihatan warna yang diperluas dan ini telah memberikan wawasan tentang sirkuit saraf yang mendasarinya.

Sorotan penelitian

Review Ulang Tahun ke-50 Vision Research. Genetika Penglihatan Warna. Bagaimana gen mempengaruhi fotopigmen kerucut. Bagaimana gen mempengaruhi topografi mosaik kerucut. Bagaimana gen mempengaruhi sirkuit untuk penglihatan warna.


Struktur baru di mata anjing terkait dengan penyakit retina yang membutakan

Pada manusia, area kecil di tengah retina yang disebut fovea sangat penting untuk melihat detail halus. Dikemas dengan sel fotoreseptor kerucut, digunakan saat membaca, mengemudi, dan menatap objek yang menarik. Beberapa hewan memiliki fitur serupa di mata mereka, tetapi para peneliti percaya bahwa di antara mamalia fovea itu unik untuk primata -- sampai sekarang.

Ilmuwan visi University of Pennsylvania melaporkan bahwa anjing juga memiliki area retina yang sangat mirip dengan fovea manusia. Terlebih lagi, daerah retina ini rentan terhadap penyakit kebutaan genetik pada anjing seperti halnya pada manusia.

"Luar biasa bahwa pada tahun 2014 kita masih dapat membuat penemuan anatomi pada spesies yang telah kita amati selama 20.000 tahun terakhir dan selain itu, ini memiliki relevansi klinis yang tinggi bagi manusia," kata William Beltran, asisten profesor. oftalmologi di Penn's School of Veterinary Medicine dan penulis pendamping studi ini bersama Artur Cideciyan, profesor riset oftalmologi di Penn's Perelman School of Medicine.

"Sungguh menggembirakan untuk dapat menyelidiki bagian yang sangat khusus dan penting dari penglihatan sentral anjing ini yang memiliki kemiripan yang sangat kuat dengan retina kita sendiri," tambah Cideciyan.

Rekan penulis tambahan termasuk Karina E. Guziewicz dari Penn Vet, Simone Iwabe, Erin M. Scott, Svetlana V. Savina, Gordon Ruthel dan penulis senior Gustavo D. Aguirre Perelman Malgorzata Swider, Lingli Zhang, Richard Zorger, Alexander Sumaroka dan Samuel G. Jacobson dan Frank Stefano dari Fakultas Kedokteran Gigi Penn.

Makalah tersebut diterbitkan di jurnal PLOS SATU.

Kata "fovea" berasal dari bahasa Latin yang berarti "lubang," karena fakta bahwa pada manusia dan banyak primata lainnya, lapisan dalam retina tipis di daerah ini, sedangkan lapisan luar dikemas dengan sel fotoreseptor kerucut. Diyakini bahwa penipisan lapisan dalam ini memungkinkan sel kerucut foveal memiliki akses istimewa ke cahaya.

Diketahui bahwa anjing memiliki apa yang disebut area centralis, wilayah di sekitar pusat retina dengan peningkatan relatif kepadatan sel fotoreseptor kerucut. Tetapi anjing tidak memiliki formasi lubang seperti yang dimiliki manusia, dan, sebelum penelitian ini, diyakini bahwa peningkatan kepadatan sel fotoreseptor kerucut tidak mendekati apa yang terlihat pada primata. Sebelum penelitian ini, kepadatan tertinggi yang dilaporkan pada anjing adalah 29.000 kerucut per milimeter persegi dibandingkan dengan lebih dari 100.000 kerucut per milimeter persegi yang terlihat pada fovea manusia dan kera.

Ternyata penelitian sebelumnya pada anjing telah melewatkan bagian kecil dari peningkatan kepadatan sel. Dalam penelitian ini, saat memeriksa retina anjing dengan mutasi yang menyebabkan penyakit yang mirip dengan bentuk degenerasi retina terkait-X pada manusia, para peneliti Penn melihat penipisan lapisan retina yang mengandung sel fotoreseptor.

Dengan memusatkan perhatian pada wilayah ini, mereka memeriksa retina anjing normal menggunakan teknik pencitraan canggih, termasuk oftalmoskopi laser pemindaian confocal, tomografi koherensi optik, dan mikroskop dua foton. Dengan memungkinkan para ilmuwan untuk memvisualisasikan berbagai lapisan retina, teknik ini memungkinkan mereka untuk mengidentifikasi area kecil kepadatan puncak kerucut dan kemudian memperkirakan jumlah kerucut dengan menghitung sel di area unik ini.

Berdasarkan pengamatan mereka, para peneliti menemukan bahwa kepadatan kerucut mencapai lebih dari 120.000 sel per milimeter persegi di wilayah seperti fovea yang belum pernah dijelaskan di area centralis - kepadatan yang setara dengan fovea primata.

"Tidak ada tengara nyata untuk daerah ini seperti yang ada pada manusia," kata Aguirre, "jadi untuk menemukan kepadatan seperti itu tidak terduga."

Mereka juga mengenali bahwa "sisi keluaran" dari daerah padat kerucut ini berhubungan dengan daerah sel ganglion retina yang padat, yang mengirimkan sinyal ke otak.

Pasien manusia dengan degenerasi makula mengalami kehilangan sel fotoreseptor - batang dan kerucut yang memproses cahaya - pada atau di dekat fovea, mengakibatkan hilangnya penglihatan sentral yang menghancurkan.

Untuk melihat apakah daerah mirip fovea juga terpengaruh pada anjing, para peneliti Penn menggunakan teknik yang sama yang mereka gunakan untuk mempelajari anjing normal untuk memeriksa hewan yang memiliki mutasi pada dua gen (BEST1 dan RPGR) yang dapat menyebabkan degenerasi makula pada manusia. .

Dalam kedua kasus, timbulnya penyakit mempengaruhi daerah seperti fovea pada anjing dengan cara yang sangat mirip dengan bagaimana penyakit ini muncul pada manusia - dengan lesi retina sentral muncul lebih awal daripada lesi di retina perifer.

"Mengapa fovea rentan terhadap ekspresi penyakit awal untuk gangguan keturunan tertentu dan mengapa dibiarkan dalam kondisi lain tidak diketahui," kata Cideciyan. “Temuan kami, yang menunjukkan pada anjing yang setara dengan penyakit genetik manusia yang mempengaruhi area retina yang sangat penting bagi penglihatan manusia, sangat menjanjikan dari sudut pandang manusia. Mereka dapat memungkinkan penelitian translasi dengan memungkinkan kami mengujinya. pengobatan untuk penyakit degeneratif foveal dan makula manusia pada anjing."

Selain itu, penemuan ini menawarkan wawasan tentang kondisi manusia langka yang dikenal sebagai fovea plana, di mana orang memiliki ketajaman visual yang normal tetapi tidak ada "lubang" di fovea mereka. Dengan kata lain, fovea mereka menyerupai anjing, menantang asumsi yang dipegang sebelumnya bahwa kurangnya jaringan dan pembuluh darah yang menutupi fovea merupakan prasyarat untuk resolusi penglihatan yang tinggi.

Fakta bahwa anjing memiliki area sel fotoreseptor padat seperti fovea juga dapat menunjukkan bahwa anjing melihat lebih tajam daripada yang diduga sebelumnya.

"Ini memberi kita dasar struktural untuk mendukung gagasan bahwa anjing mungkin memiliki ketajaman visual yang lebih tinggi daripada yang telah diukur sejauh ini," kata Beltran. "Bahkan bisa jadi beberapa breed memiliki kepadatan sel yang sangat tinggi dan dapat digunakan sebagai anjing pekerja untuk tugas-tugas tertentu yang membutuhkan fungsi penglihatan tingkat tinggi."

Ke depan, para peneliti dapat fokus pada area seperti fovea ini dalam studi terapi untuk tidak hanya degenerasi retina terkait-X dan penyakit Best tetapi juga masalah terkait penglihatan lainnya yang memengaruhi makula dan fovea.


Mata Bionik

Berbagai Peneliti
1 Oktober 2014

VISI MERANSANG:
Lihat infografis lengkap: JPG | PDF © VIKTOR KOEN Pada tahun 1755, dokter dan ilmuwan Prancis Charles Leroy melepaskan listrik statis dari tabung Leyden&mdasha pendahulu kapasitor modern&mdashin ke tubuh pasien buta menggunakan dua kabel, satu diikatkan di sekitar kepala tepat di atas mata dan yang lainnya di sekitar kaki . Pasien, yang telah buta selama tiga bulan akibat demam tinggi, menggambarkan pengalamannya seperti nyala api yang turun di depan matanya. Ini adalah pertama kalinya perangkat listrik&mdash yang berfungsi sebagai prostesis dasar&mdash berhasil memulihkan bahkan sedikit persepsi visual.

Lebih dari 250 tahun kemudian, kebutaan masih menjadi salah satu gangguan sensorik yang paling melemahkan, mempengaruhi hampir 40 juta orang di seluruh dunia. Banyak dari pasien ini dapat diobati secara efisien dengan pembedahan atau pengobatan, tetapi beberapa patologi tidak dapat diperbaiki dengan perawatan yang ada. Khususnya, saat menerima fotoreseptor cahaya.

Dalam retina yang sehat, sel fotoreseptor—sel batang dan kerucut—mengubah cahaya menjadi sinyal listrik dan kimia yang merambat melalui jaringan neuron retina ke sel ganglion, yang aksonnya membentuk saraf optik dan mengirimkan sinyal visual ke otak. (Lihat ilustrasi.) Perangkat prostetik bekerja pada tingkat yang berbeda di hilir dari penerimaan awal dan konversi biokimia foton cahaya yang masuk oleh pigmen batang fotoreseptor dan kerucut di bagian belakang retina. Implan dapat merangsang sel bipolar langsung di bagian hilir fotoreseptor, misalnya, atau sel ganglion yang membentuk saraf optik. Sebagai alternatif, untuk patologi seperti glaukoma atau trauma kepala yang mengganggu kemampuan saraf optik untuk menghubungkan retina ke pusat visual otak, prostesis telah dirancang untuk merangsang sistem visual pada tingkat otak itu sendiri. (Lihat ilustrasi.)

Sementara prostesis otak belum diuji pada manusia, hasil klinis dengan prostesis retina menunjukkan bahwa implan dapat memungkinkan pasien tunanetra untuk menemukan dan mengenali objek, menyesuaikan diri di lingkungan yang tidak dikenal, dan bahkan melakukan beberapa tugas membaca. Tapi lapangan masih muda, dan perbaikan besar masih diperlukan untuk memungkinkan pemulihan penglihatan yang sangat fungsional.

Henri Lorach saat ini adalah peneliti tamu di Universitas Stanford, di mana ia berfokus pada penglihatan prostetik dan pemrosesan sinyal retina.

Pengganti Fotoreseptor yang Hilang

Oleh MELIHAT DALAM PIXEL: Susunan piksel fotovoltaik dapat ditanamkan di atas epitel pigmen retina (ditunjukkan di sini di mata tikus, kanan), di mana mereka merangsang aktivitas di neuron retina di bagian hilir fotoreseptor yang rusak. LAB PALANKER, UNIVERSITAS STANFORD Daniel Palanker

Dalam pendekatan subretina untuk prostetik visual, elektroda ditempatkan di antara epitel pigmen retina (RPE) dan retina. (Lihat ilustrasi.) Di sana, mereka merangsang neuron retina bagian dalam nonspiking — sel bipolar, horizontal, dan amakrin — yang kemudian mengirimkan sinyal saraf ke jaringan retina ke sel ganglion retina (RGC) yang merambat ke otak melalui saraf optik. Merangsang jaringan retina membantu melestarikan beberapa aspek pemrosesan sinyal alami retina, seperti "fusi berkedip" yang memungkinkan kita melihat video sebagai gerakan halus, meskipun terdiri dari bingkai dengan gambar statis yang beradaptasi dengan stimulasi konstan dan nonlinier. integrasi sinyal saat mereka mengalir melalui jaringan retina, aspek kunci dari resolusi spasial yang tinggi. Pulsa listrik yang berlangsung beberapa milidetik memberikan stimulasi selektif pada neuron retina bagian dalam dan menghindari aktivasi langsung sel ganglion dan aksonnya, yang sebaliknya akan sangat membatasi kemampuan pasien untuk menafsirkan tata letak spasial pemandangan visual.

Dalam pendekatan subretina untuk prostetik visual, elektroda ditempatkan di antara epitel pigmen retina dan retina, di mana mereka merangsang neuron retina bagian dalam yang tidak berduri.

Proyek Implan Retina Boston, tim multidisiplin yang terdiri dari ilmuwan, insinyur, dan dokter di lembaga penelitian di seluruh AS, sedang mengembangkan prostesis retina yang mengirimkan informasi dari kamera yang dipasang pada kacamata ke antena penerima yang ditanamkan di bawah kulit di sekitar mata menggunakan frekuensi radio. telemetri—teknologi yang mirip dengan siaran radio. Sinyal yang didekodekan kemudian dikirim ke susunan elektroda subretina yang ditanamkan melalui kabel yang menembus ke dalam mata. Informasi yang disampaikan ke retina oleh alat ini tidak berhubungan dengan arah pandangan, sehingga untuk mengamati suatu pemandangan pasien harus menggerakkan kepalanya, bukan hanya matanya.

Implan subretinal Alpha IMS, yang dikembangkan oleh Retina Implant AG di Reutlingen, Jerman, memperbaiki masalah ini dengan menyertakan kamera subretinal, yang mengubah cahaya di setiap piksel menjadi arus listrik. Perangkat ini telah berhasil diuji pada pasien dengan retinitis pigmentosa lanjut dan baru-baru ini disetujui untuk penggunaan klinis eksperimental di Eropa. Ketajaman visual dengan sistem ini agak terbatas: kebanyakan pasien menguji tidak lebih baik dari 20/1000, kecuali satu pasien yang mencapai 20/550. 1 Sistem Alpha IMS juga memerlukan catu daya implan yang besar dengan kabel yang melintasi sklera dan memerlukan pembedahan yang rumit, dengan risiko komplikasi yang terkait.

ARRAY STIMULATING: Prototipe suprachoroidal array ini, yang ditanamkan di belakang koroid, bisa lebih besar dari prostesis yang dimasukkan di depan atau di belakang retina. COURTESY OF NESTLAIR PHOTOGRAPHY Untuk mengatasi tantangan ini, kolega saya dan saya telah mengembangkan prostesis subretinal fotovoltaik nirkabel, yang ditenagai oleh cahaya berdenyut. Sistem kami mencakup komputer saku yang memproses gambar yang diambil oleh kamera video mini yang dipasang pada kacamata video, yang memproyeksikan gambar-gambar ini ke mata dan ke susunan fotodioda yang ditanamkan secara subretina. Fotodioda di setiap piksel mengubah cahaya ini menjadi arus berdenyut untuk merangsang neuron retina bagian dalam di dekatnya. Metode penyampaian informasi visual ini sepenuhnya nirkabel, dan mempertahankan hubungan alami antara gerakan mata dan persepsi gambar.

Sistem kami menggunakan panjang gelombang inframerah-dekat yang tidak terlihat (NIR, 880-915 nm) untuk menghindari persepsi cahaya terang oleh fotoreseptor fungsional yang tersisa. Telah terbukti dengan aman memperoleh dan memodulasi respons retina pada tikus yang terlihat normal dan pada hewan yang dibutakan oleh degenerasi retina. 2 Array dengan 70 mikrometer piksel mengembalikan ketajaman visual pada tikus buta menjadi setengah dari tingkat alami, sesuai dengan ketajaman 20/250 pada manusia. Berdasarkan ambang stimulasi yang diamati dalam studi ini, kami mengantisipasi bahwa ukuran piksel dapat dikurangi dengan dua faktor, meningkatkan ketajaman visual lebih jauh. Kemudahan implantasi dan pemasangan susunan nirkabel ini untuk mencakup bidang visual yang luas, dikombinasikan dengan resolusi tinggi mereka, membuka pintu untuk pemulihan penglihatan yang sangat fungsional. Kami sedang mengembangkan sistem ini secara komersial bekerja sama dengan perusahaan Prancis Pixium Vision, dan uji klinis dijadwalkan akan dimulai pada 2016.

IKUTI CAHAYA: Seorang pasien buta menavigasi rintangan tanpa bantuan anjing pemandunya, berkat kamera yang dipasang di kepala dan komputer ransel, yang mengumpulkan dan memproses informasi visual sebelum memberikan representasi pemandangan visual melalui retina suprakoroidalnya. prostesis. COURTESY OF NESTLAIR PHOTOGRAPHY Fabio Benfenati dari Italian Institute of Technology di Genoa dan Guglielmo Lanzani di Center for Nanoscience and Technology di Milan juga mengejar pendekatan subretinal untuk prostesis visual, mengembangkan perangkat berbasis polimer organik yang dapat menyederhanakan fabrikasi implan. 3 Sejauh ini, implan peka cahaya subretina tampaknya menjadi pendekatan yang menjanjikan untuk memulihkan penglihatan bagi orang buta.

Daniel Palanker adalah profesor di Departemen Oftalmologi dan Laboratorium Fisika Eksperimental Hansen di Universitas Stanford.

  1. K. Stingl et al., “Hasil fungsional dalam implan elektronik subretinal tergantung pada eksentrisitas foveal,” Investasikan Oftalmol Vis Sci, 54:7658-65, 2013.
  2. Y. Mandel et al., "Respons kortikal yang ditimbulkan oleh prostesis subretina fotovoltaik menunjukkan kesamaan dengan potensi yang ditimbulkan secara visual," Komunitas Nat, 4:1980, 2013.
  3. D. Ghezzi et al., “Antarmuka optoelektronik polimer mengembalikan sensitivitas cahaya pada retina tikus buta,” Nat Photonics, 7:400-06, 2013.

Dibalik Mata

PENGLIHATAN BARU: Penerima prototipe suprachoroidal prosthesis menguji perangkat dengan peneliti Bionic Vision Australia (BVA). COURTESY OF BIONIC VISION PROYEK BIONIC EYE AUSTRALIA Oleh Lauren Ayton dan David Nayagam

Protesa subretina yang ditanamkan di antara retina dan RPE, bersama dengan implan epiretinal yang diletakkan di permukaan retina (lihat di bawah), telah menunjukkan hasil yang baik dalam memulihkan beberapa persepsi visual pada pasien dengan kehilangan penglihatan yang parah. Namun, perangkat tersebut memerlukan operasi yang menantang secara teknis, dan lokasi implantasi membatasi ukuran potensial perangkat ini. Protesa epiretinal dan subretinal juga menghadapi tantangan dengan stabilitas dan terjadinya kejadian intraokular yang merugikan, seperti infeksi atau ablasi retina. Karena masalah ini, para peneliti telah menyelidiki lokasi implan yang kurang invasif dan lebih stabil: antara koroid vaskular dan sklera luar. (Lihat ilustrasi.)

Seperti prostesis subretina, implan suprachoroidal memanfaatkan sel bipolar dan jaringan retina hingga ke sel ganglion, yang memproses informasi visual sebelum menyampaikannya ke otak. Tetapi perangkat yang ditanamkan di lokasi suprachoroidal ini bisa lebih besar daripada yang ditanamkan langsung di atas atau di bawah retina, memungkinkan mereka untuk menutupi bidang visual yang lebih luas, ideal untuk tujuan navigasi. Selain itu, susunan elektroda suprachoroidal tidak menembus retina, membuat prosedur bedah yang lebih sederhana yang seharusnya mengurangi kemungkinan efek samping dan bahkan memungkinkan perangkat dilepas atau diganti dengan kerusakan minimal pada jaringan di sekitarnya.

Pekerjaan rekayasa awal pada desain perangkat suprachoroidal dimulai pada 1990-an dengan penelitian yang dilakukan secara independen di Universitas Osaka di Jepang 1 dan Pusat Penelitian Sistem dan Bioelektronika Nano di Universitas Nasional Seoul di Korea Selatan. 2 Kedua kelompok ini telah menunjukkan bukti konsep dalam pengujian bangku dan pekerjaan praklinis, dan kelompok Jepang telah melakukan uji klinis pada manusia dengan hasil yang menjanjikan. 3 Selanjutnya, kerjasama Korea Selatan dengan University of New South Wales di Australia melanjutkan pengembangan perangkat suprachoroidal.

Baru-baru ini, kelompok kami, Institut Bionics dan Pusat Penelitian Mata Australia, yang bekerja sebagai bagian dari kemitraan Bionic Vision Australia (BVA), menjalankan serangkaian studi praklinis antara tahun 2009 dan 2012. 4 Studi ini menunjukkan keamanan dan kemanjuran dari prototipe implan suprachoroidal, terbuat dari pembawa silikon dengan 33 elektroda berbentuk cakram platinum yang dapat diaktifkan dalam berbagai kombinasi untuk memperoleh persepsi pola dasar, seperti piksel pada layar. Dua tahun lalu, BVA memulai uji coba, di mana para peneliti menanamkan prototipe di ruang suprachoroidal dari tiga pasien retinitis pigmentosa tahap akhir yang hampir tidak dapat melihat cahaya. Susunan elektroda digabungkan ke konektor titanium yang ditempelkan ke tengkorak di belakang telinga, memungkinkan neurostimulasi dan pemantauan elektroda tanpa memerlukan perangkat elektronik apa pun yang ditanamkan. 5 Pada ketiga pasien, perangkat tersebut terbukti stabil dan efektif, memberikan persepsi visual yang cukup untuk melokalisasi cahaya dengan lebih baik, mengenali bentuk dasar, mengarahkan dalam ruangan, dan berjalan melalui labirin mobilitas dengan pengurangan benturan. 6 Persiapan sedang dilakukan untuk uji klinis di masa depan, yang akan memberi subjek perangkat implan penuh dengan jumlah elektroda dua kali lipat.

Protesa suprachoroidal bisa lebih besar dari yang ditanamkan langsung di atas atau di bawah retina, memungkinkan mereka untuk menutupi bidang visual yang lebih luas, ideal untuk tujuan navigasi.

Sementara itu, grup Universitas Osaka, bekerja sama dengan perusahaan Jepang NIDEK, telah mengembangkan perangkat prostetik intraskleral, yang, tidak seperti perangkat Korea dan BVA, ditanamkan di antara lapisan sklera daripada di ruang suprachoroidal. Dalam uji klinis perangkat ini, sering disebut sebagai stimulasi suprachoroidal-transretinal (STS), dua pasien dengan retinitis pigmentosa lanjut menunjukkan peningkatan resolusi spasial dan ketajaman visual selama periode empat minggu setelah implantasi. 3

Pekerjaan di masa depan akan diperlukan untuk menyelidiki sepenuhnya perbedaan persepsi visual yang disediakan oleh perangkat yang ditanamkan di berbagai lokasi di mata, tetapi tanda-tanda awal menjanjikan bahwa stimulasi suprachoroidal adalah pilihan klinis yang aman dan layak untuk pasien dengan penyakit retina degeneratif tertentu.

Lauren Ayton adalah peneliti dan pemimpin program klinis mata bionik di Pusat Penelitian Mata Australia di Universitas Melbourne. David Nayagam adalah peneliti dan pemimpin studi praklinis kronis mata bionik di Institut Bionics di Melbourne Timur dan peneliti kehormatan di University of Melbourne.

  1. H. Sakaguchi et al., "Stimulasi listrik transretinal dengan elektroda multichannel suprachoroidal di mata kelinci," Jpn J Oftalmol, 48:256-61, 2004.
  2. J.A. Zhou et al., "Desain stimulator retina listrik suprachoroidal untuk percobaan hewan jangka panjang dan penilaian in vivo kelayakan dan biokompatibilitasnya pada kelinci," J Biomed Biotechnol, 2008:547428, 2008.
  3. T. Fujikado et al., “Pengujian prostesis retina yang ditanamkan secara semikronis dengan stimulasi suprachoroidal-transretinal pada pasien dengan retinitis pigmentosa,” Investasikan Oftalmol Vis Sci, 52:4726-33, 2011.
  4. D.A.X. Nayagam et al., "Stimulasi listrik kronis dengan prostesis retina suprachoroidal: studi keamanan dan kemanjuran praklinis," PLOS SATU, 9:e97182, 2014.
  5. A.L. Saunders et al., "Pengembangan prosedur bedah untuk implantasi prototipe prostesis retina suprachoroidal," Clin & Exp Oftalmol, 10.1111/ceo.12287, 2014
  6. M N. Shivdasani et al., "Faktor-faktor yang mempengaruhi ambang persepsi dalam prostesis retina suprachoroidal," Investasikan Oftalmol Vis Sci, dalam pers.

Memotong Retina

IMPLAN KECIL: Implan retina Argus II, yang telah disetujui untuk dijual di Eropa pada tahun 2011 dan di AS pada tahun 2012, terdiri dari susunan elektroda 60 mm x 5 mm (ditampilkan di sini) dan kamera eksternal serta unit pemrosesan video . Pengguna implan ini dapat melihat kontras antara area terang dan gelap. © PHILIPPE PSAILA/ SUMBER ILMU Oleh Mark Humayun, James Weiland, and Steven Walston

Melewati pemrosesan retina hulu, para peneliti telah mengembangkan apa yang disebut perangkat epiretinal yang ditempatkan di permukaan anterior retina, di mana mereka merangsang sel-sel ganglion yang merupakan neuron keluaran mata. Strategi ini menargetkan lapisan sel terakhir dari jaringan retina, sehingga bekerja terlepas dari keadaan neuron hulu. (Lihat ilustrasi.)

Pada tahun 2011, Second Sight memperoleh persetujuan dari Uni Eropa untuk memasarkan perangkat epiretinalnya, Sistem Prostesis Visual Argus II, yang memungkinkan subjek uji klinis yang telah buta selama beberapa tahun untuk memulihkan beberapa persepsi visual seperti pengenalan bentuk dasar dan, kadang-kadang, kemampuan membaca. Tahun berikutnya, FDA menyetujui perangkat tersebut, yang menggunakan kamera yang dipasang di kacamata untuk menangkap pemandangan visual dan secara nirkabel mentransmisikan informasi ini sebagai pola stimulasi listrik ke rangkaian mikroelektroda 6 x 10. Array ditempatkan secara operasi di daerah makula, bertanggung jawab dalam retina yang sehat untuk penglihatan tajam, dan mencakup area sekitar 20 ° dari ruang visual.

Sebuah uji klinis menunjukkan bahwa 30 pasien yang menerima perangkat dapat lebih akurat menemukan kotak kontras tinggi pada monitor komputer, dan ketika diminta untuk melacak bilah kontras tinggi yang bergerak, kira-kira setengahnya dapat membedakan arah gerakan bilah. lebih baik daripada tanpa sistem. 1 Ketajaman visual yang meningkat juga memungkinkan pasien untuk membaca huruf besar, meskipun dengan kecepatan yang lambat, dan telah meningkatkan mobilitas pasien. 2 Dengan tersedianya Argus II, pasien dengan retinitis pigmentosa berat memiliki pengobatan pertama yang benar-benar dapat memperbaiki penglihatan. Sampai saat ini, sistem tersebut telah ditanamkan secara komersial pada lebih dari 50 pasien.

Beberapa prostesis epiretinal lainnya telah menunjukkan harapan, meskipun tidak ada yang menerima persetujuan peraturan. Antara tahun 2003 dan 2007, Intelligent Medical Implants menguji perangkat prototipe 49-elektroda yang ditanam sementara pada delapan pasien, yang melaporkan melihat bintik-bintik cahaya ketika elektroda diaktifkan. Sebagian besar perangkat prototipe ini hanya ditanamkan selama beberapa bulan, namun, dan tanpa kamera terintegrasi, pasien tidak dapat mengaktifkan perangkat di luar klinik, membatasi evaluasi kemanjuran prostesis. Grup ini telah direformasi sebagai Pixium Vision, perusahaan yang saat ini berkolaborasi dengan grup Daniel Palanker di Stanford untuk mengembangkan perangkat subretinal, dan kini telah mengembangkan implan epiretinal permanen yang sedang dalam uji klinis. Kelompok ini juga merencanakan uji coba perangkat 150 elektroda yang diharapkan akan lebih meningkatkan resolusi visual.

Pengembangan masa depan di bidang ini akan bertujuan untuk meningkatkan resolusi spasial dari penglihatan yang dirangsang, meningkatkan bidang pandang yang dapat dirasakan, dan meningkatkan jumlah elektroda. Elektroda yang lebih kecil akan mengaktifkan lebih sedikit sel ganglion retina, yang akan menghasilkan resolusi yang lebih tinggi. Strategi-strategi ini akan diuji secara ketat, dan, jika berhasil, dapat memungkinkan prostesis retina yang memberikan pandangan dunia yang lebih baik.

Mark Humayun adalah Ketua Cornelius J. Pings dalam Ilmu Biomedis di University of Southern California, di mana James Weiland adalah profesor oftalmologi dan teknik biomedis. Steven Walston adalah mahasiswa pascasarjana di Bioelectronic Research Lab di universitas.

  1. NONA. Humayun et al., “Hasil sementara dari percobaan internasional prostesis visual Second Sight,” Ophthalmology, 119:779-88, 2012.
  2. L. da Cruz et al., “Sistem prostesis epiretinal Argus II memungkinkan pembacaan huruf dan kata dan fungsi jangka panjang pada pasien dengan kehilangan penglihatan yang parah,” Br J Ophthalmol, 97:632-36, 2013.

Ke dalam Otak

LANGSUNG KE OTAK: Sistem penglihatan bionik Gennaris—yang mencakup kamera yang dipasang di kaca mata yang menerima informasi visual (bawah), prosesor penglihatan terkomputerisasi kecil (kanan), dan ubin elektronik 9 mm x 9 mm (paling kanan) yang ditanamkan ke dalam satu belahan korteks visual di bagian belakang otak—diperkirakan akan memasuki uji coba manusia tahun depan. KEPERCAYAAN DARI MVG Oleh Collette Mann, Arthur Lowery, dan Jeffrey V. Rosenfeld

Selain neuron mata, peneliti juga menargetkan otak untuk merangsang penglihatan buatan pada manusia. Eksperimen awal pada pasien epilepsi dengan kejang persisten oleh ahli saraf dan ahli bedah saraf Jerman Otfrid Förster pada tahun 1929 dan Fedor Krause dan Heinrich Schum pada tahun 1931, menunjukkan bahwa stimulasi listrik dari kutub oksipital, bagian paling posterior dari setiap belahan otak, menghasilkan sensasi kilatan cahaya. , disebut fosfena. Pada pertengahan 1950-an, orang Amerika John C. Button, seorang ahli osteopati dan kemudian MD, dan Tracy Putnam, saat itu Kepala Bedah Saraf di Rumah Sakit Cedars-Sinai di Los Angeles, telah menanamkan kabel baja tahan karat yang terhubung ke stimulator sederhana ke dalam empat korteks. orang yang buta, dan pasien kemudian melaporkan melihat kilatan cahaya.

Prostesis visual kortikal fungsional pertama diproduksi di Inggris pada tahun 1968, ketika Giles Brindley, seorang ahli fisiologi, dan Walpole Lewin, seorang ahli bedah saraf, keduanya di Universitas Cambridge, menanamkan 80 elektroda permukaan yang tertanam dalam tutup silikon di korteks oksipital kanan pasien. Setiap elektroda terhubung ke salah satu dari 80 penerima radio ekstrakranial yang sesuai, yang menghasilkan bentuk fosfen sederhana dan terletak dengan jelas. Pasien bisa menunjuk dengan tangannya ke lokasi mereka di bidang visualnya. Ketika lebih dari satu elektroda pada satu waktu dirangsang, pola sederhana muncul.

Tujuan selanjutnya dari mendiang William H. Dobelle adalah untuk menyediakan pasien dengan gambar visual yang terdiri dari set phosphenes-dengan kata lain, penglihatan buatan. Dobelle telah mulai mempelajari stimulasi listrik dari korteks visual pada akhir 1960-an dengan pasien terlihat menjalani operasi untuk mengangkat tumor lobus oksipital. Dia kemudian menanamkan susunan elektroda permukaan, pertama untuk sementara, kemudian secara permanen, di korteks visual beberapa sukarelawan buta. Namun, baru pada awal 2000-an teknologi tersebut tersedia untuk menghubungkan kamera portabel mini dan komputer ke elektroda untuk konversi praktis pemandangan dunia nyata menjadi sinyal listrik. Dengan stimulasi kortikal yang dihasilkan, pasien dapat mengenali huruf cetak besar dan garis besar gambar.

COURTESY OF MVG Untuk memperoleh phosphenes, bagaimanapun, elektroda permukaan yang digunakan dalam prostesis kortikal awal ini membutuhkan arus listrik yang besar (

3 mA-12 mA), yang berisiko memicu serangan epilepsi atau migrain yang melemahkan. Perangkat tersebut juga membutuhkan kabel eksternal yang menembus tengkorak, yang berisiko menyebabkan infeksi. Saat ini, dengan penggunaan teknologi nirkabel, sejumlah kelompok bertujuan untuk meningkatkan prostesis penglihatan kortikal, berharap dapat memberikan manfaat bagi jutaan orang dengan kebutaan yang saat ini tidak dapat disembuhkan.

Salah satu perangkat yang menjanjikan dari grup kami adalah sistem penglihatan bionik Gennaris, yang terdiri dari kamera digital pada bingkai kacamata. Gambar ditransmisikan ke dalam prosesor visi komputerisasi kecil yang mengubah gambar menjadi pola gelombang, yang kemudian ditransmisikan secara nirkabel ke ubin elektronik kecil yang ditanamkan ke dalam korteks visual yang terletak di bagian belakang otak. Setiap ubin menampung 43 elektroda penembus, dan setiap elektroda dapat menghasilkan fosfen. Pola phosphenes akan membuat garis 2-D dari bentuk yang relevan di bidang visual pusat. Perangkat ini dalam tahap praklinis, dengan uji coba manusia pertama direncanakan untuk tahun depan, ketika kami berharap untuk menanamkan empat hingga enam ubin per pasien untuk merangsang pola beberapa ratus fosfen yang dapat digunakan pasien untuk menavigasi lingkungan, mengidentifikasi objek di depan mereka, mendeteksi gerakan, dan mungkin membaca cetakan besar.

Perkembangan perangkat visi bionik semakin cepat karena upaya kolaboratif menggunakan chip silikon dan desain elektroda terbaru, algoritma pemrosesan visi komputer, dan teknologi nirkabel.

Kelompok lain yang saat ini mengembangkan prostesis visual kortikal termasuk Institut Teknologi Illinois, Universitas Utah, cole Polytechnique de Montréal di Kanada, dan Universitas Miguel Hernández di Spanyol. Semua perangkat ini mengikuti prinsip yang sama dalam menginduksi phosphenes yang dapat divisualisasikan oleh pasien. Namun, banyak tantangan teknis yang harus diatasi sebelum perangkat tersebut dapat dibawa ke klinik, termasuk kebutuhan untuk meningkatkan teknik implantasi. Selain perlunya keselamatan pasien, akurasi dan pengulangan saat memasukkan perangkat penting untuk hasil yang maksimal.

Pengembangan perangkat visi bionik semakin cepat karena upaya kolaboratif menggunakan chip silikon dan desain elektroda terbaru, algoritma pemrosesan visi komputer, dan teknologi nirkabel. Kami optimis bahwa berbagai perangkat penglihatan bionik yang praktis, aman, dan efektif akan tersedia selama dekade berikutnya dan bahwa individu tunanetra akan memiliki kemampuan untuk “melihat” dunia mereka sekali lagi.

Collette Mann adalah koordinator program klinis dari Monash Vision Group di Melbourne, Australia, di mana Arthur Lowery, seorang profesor teknik elektro, adalah direkturnya. Jeffrey V. Rosenfeld adalah kepala Divisi Ilmu Klinis & Departemen Bedah di Sekolah Klinis Pusat di Universitas Monash dan direktur Departemen Bedah Saraf di Rumah Sakit Alfred, yang juga di Melbourne.


2. BAHAN-BAHAN DAN METODE-METODE

2.1 Ikan zebra transgenik

Semua prosedur dilakukan sesuai dengan pedoman Komite Perawatan dan Penggunaan Hewan Institusional Universitas Washington. Ikan embrio dan larva dibesarkan pada suhu 28°C di ruangan dengan siklus cahaya normal, lampu menyala dari pukul 9.00 hingga 23.00. Embrio dipertahankan dalam air sistem sampai 12-24 jam pasca fertilisasi (hpf), di mana embrio ditempatkan dalam air sistem yang mengandung 0,2 mM N-Phenylthiorurea (PTU) (Sigma P7629) untuk mencegah pigmentasi. Larva transgenik disaring untuk ekspresi protein fluoresen (FP) setelah menetas, biasanya pada 4 hari setelah pembuahan (dpf). Larva yang disaring dikeluarkan dari air sistem yang mengandung PTU, dan dipindahkan ke fasilitas ikan zebra Universitas Washington di mana mereka diberi makan secara teratur. Larva ikan zebra di-eutanasia dengan overdosis MS-222 (Sigma A5040) (200-500 mg/L). Lihat Tabel 1 untuk daftar semua galur transgenik yang digunakan. NS Tg(gnat2:nfsBmCherry) garis transgenik dihasilkan dengan menyuntikkan plasmid pTol2pA-gnat2-nfsBmCherry ke dalam telur yang dibuahi pada tahap satu sel, dan keturunannya disaring dengan ekspresi mCherry. Plasmid pTol2pA-gnat2-nfsBmCherry dihasilkan dalam reaksi rekombinasi Gateway: p5E:gnat2 (Suzuki et al., 2013 ), pME:nfsBmCherry (Yoshimatsu et al., 2016 ), p3EpA, dan pDestTol2pA (Kwan et al., 2007 ), ).

transgenik Sumber Sel retina berlabel Steno
Tg(gnat2:nfsBmCherry) Wong lab Semua jenis kerucut nyamuk2
Tg(thrb:G4VP16 UAS:nfsBmCherry) Q31 (Yoshimatsu dkk., 2016) c264 (Davison et al., 2007) kerucut merah trβ2
Tg(thrb:Tomat) Q22 (Suzuki dkk., 2013 ) kerucut merah trβ2
Tg(thrb:MA-YFP) Q23 (Suzuki dkk., 2013 ) kerucut merah trβ2
Tg(opn1sw1:nfsBmCherry) Q28 (Yoshimatsu dkk., 2016) kerucut UV sws1
Tg(−5.5opn1sw1:EGFP) kj9 (Takechi, Hamaoka, & Kawamura, 2003) kerucut UV sws1
Tg(opn1sw2:nfsBmCherry) Q30 (Yoshimatsu dkk., 2016) kerucut biru sws2
Tg(−3.5opn1sw2:EGFP kj11 (Takechi, Seno, & Kawamura, 2008 ) kerucut biru sws2
Tg(Xla.Rho:EGFP) fl1 (Fadol, 2003) batang Xops
Tg(gfap:GFP) mi2001 (Bernardos & Raymond, 2006) Muller glia Gfap

2.2 Ablasi sel selektif

Untuk menghilangkan populasi kerucut tertentu, larva yang mengekspresikan NTR direndam dalam larutan Metronidazol (Met) (10 mM Met dalam air sistem) pada 7 dpf selama 1 atau 6 jam, menurut paradigma eksperimental. Larva diberi makan secara teratur, dicuci dengan air bersih pada akhir perlakuan, dan dibesarkan secara normal.

2.3 Pelabelan EdU

Sel mitosis diberi label pada larva hidup dengan cara direndam dalam larutan yang mengandung 0,5 mM F-ara-EdU (Yoshimatsu et al., 2016) (Sigma T511293) dalam air sistem. Durasi pengobatan diatur sesuai dengan paradigma eksperimental. Setengah dari volume larutan diganti setiap hari. Untuk visualisasi pelabelan EdU, seluruh retina tetap ditembus dalam 0,3–0,5% TritonX-100 (Sigma T8787) dalam 0, 1 M PBS selama 30 menit pada suhu kamar, dan kemudian dicuci tiga kali dalam PBS.Reaksi klik dilakukan dalam larutan PBS dengan 10 M Cy5-azide (Lumiprobe A2020), 2 mM tembaga(II) sulfat (Sigma 45.167), dan 20 mM natrium askorbat (Sigma A7631) selama 1 jam pada suhu kamar. Sampel diproses untuk imunohistokimia setelah tiga kali pencucian PBS.

2.4 Imunohistokimia

Setelah pembunuhan manusiawi, larva difiksasi dalam larutan paraformaldehida 4% dan sukrosa 3% dalam saline buffer fosfat (PBS) 0,1 M, pH 7,4 pada suhu kamar, dan retina dibedah dalam 1-3 hari. Memperbaiki, seluruh retina diblokir dalam PBS yang mengandung 5% serum keledai normal dan 0,5% TritonX-100 selama 1-4 jam pada suhu kamar. Jaringan diinkubasi dalam antibodi primer dalam larutan penghambat selama 1-5 hari pada suhu 4°C. Setelah tiga kali pencucian dalam 0,5% TritonX-100 dalam PBS, sampel diinkubasi dalam larutan antibodi sekunder selama 1 hari pada suhu 4°C. Sampel dicuci tiga kali di PBS, dipasang di agarosa 0,7%, dan dililitkan di Vectashield (Vector Labs). Lihat Tabel 2 dan 3 untuk daftar semua antibodi primer dan sekunder yang digunakan.

Antibodi Tuan rumah Konsentrasi Sumber RRID
Anti-arrestin3a Mouse 1:100 ZIRC (Larison & Bremiller, 1990) AB_10013803
Anti-DsMerah kelinci 1:500 Clontech 632496 AB_10013483
Anti-GFP Ayam 1:500 Abcam ab13970 AB_300798
Anti-GFP Mouse 1:200 Neuromab 75-132 Tidak tersedia
Anti-GFP kelinci 1:500 Abcam ab13970 AB_371416
Opsin anti-UV kelinci 1:1,000 Hadiah Jeremy Nathans (Luo et al., 2004) Tidak tersedia
Antibodi Tuan rumah Konsentrasi Sumber RRID
Anti-ayam IgY DyLight488 Kambing 1:500 Jackson ImmunoResearch AB_2336973
Anti-tikus IgG DyLight405 Kambing 1:500 Jackson ImmunoResearch AB_2338986
Anti-tikus IgG DyLight488 Keledai 1:500 Jackson ImmunoResearch AB_2572300
Anti-tikus IgG DyLight649 Kambing 1:500 Jackson ImmunoResearch AB_2338811
Anti-kelinci IgG DyLight488 Keledai 1:500 Jackson ImmunoResearch AB_2492289
Anti-kelinci IgG Alexa Fluor 568 Keledai 1:500 Teknologi kehidupan AB_2534017
Anti-kelinci IgG Alexa Fluor 647 Keledai 1:500 Jackson ImmunoResearch AB_2340625

2.5 Kombinasi garis transgenik dan imunolabel untuk mengukur regenerasi tipe kerucut

Tidak selalu mungkin untuk memvisualisasikan keempat jenis kerucut dalam satu retina. Metode pelabelan kerucut (garis transgenik dan imunolabel) yang digunakan untuk mengukur kepadatan kerucut di bawah kondisi eksperimental yang berbeda (Gambar 7) dirinci di sini.

15 kontrol dpf: Kerucut UV dan biru divisualisasikan bersama dalam Tg(sws1:nfsBmCherry sws2:GFP). Kerucut merah dan hijau divisualisasikan bersama dalam Tg(trβ2:G4VP16 UAS:nfsBmCherry) dengan immunostaining arrestin 3a.

Semua kerucut ablasi: Kerucut merah, hijau, UV, dan biru divisualisasikan bersama menggunakan Tg(gnat2:nfsBmCherry trβ2:MYFP) dengan immunostaining untuk arrestin 3a dan UV-opsin.

Kerucut merah dihilangkan: Kerucut merah, hijau, dan biru divisualisasikan bersama menggunakan Tg(trβ2:G4VP16 UAS:nfsBmCherry sws2:GFP) dengan immunostaining arrestin 3a.

Kerucut merah dan UV divisualisasikan bersama menggunakan Tg(trβ2:G4VP16 UAS:nfsBmCherry, sws1:GFP).

Kerucut UV dihilangkan: Kerucut merah, hijau, dan UV divisualisasikan bersama menggunakan Tg(sws1:nfsBmCherry trβ2:tdTomat) dengan arrestin 3 a immunostaining.

2.6 Akuisisi gambar confocal

Tumpukan gambar diperoleh pada mikroskop confocal (Olympus FV1000 atau Leica TCS SP8) menggunakan aperture numerik 1,35 (NA) 60× oli (Olympus), 63× oli (1,4 NA) (Leica), 20× oli (0,85 NA) ( Olympus), atau lensa objektif 20× oli (0,75 NA) (Leica). Gambar diperoleh pada resolusi berikut: gambar perbesaran tinggi untuk rotasi ortogonal, 0,18 m per piksel XY dan 0,3 m Z langkah mengidentifikasi jenis sel kerucut yang diregenerasi, 0,18 m per piksel XY dan 0,5 m Z langkah seluruh retina, antara 0,1 dan 0,4 m per piksel XY, dan 1 m Z Langkah.

2.7 Analisis gambar

Tumpukan gambar difilter median di Fiji (NIH) (Schindelin et al., 2012). Proyeksi intensitas maksimum dihasilkan di Amira (FEI). Rekonstruksi gambar tiga dimensi (3D) diiris secara digital menggunakan fungsi irisan Amira. Semua pengukuran dilakukan di Fiji. Kecerahan gambar, kontras, dan rona lebih lanjut disesuaikan di Photoshop (Adobe) atau GIMP (Platform Manipulasi Gambar GNU).

Kepadatan sel di seluruh retina dinilai dengan menghitung jumlah sel berlabel di dalam area di pusat, retina punggung. Dalam larva 10 dpf, kerucut dihitung dalam area persegi panjang,

5.000 m 2 . Dalam larva 15 dpf, kerucut dihitung dalam area oval, sekitar 15.000 m 2 .

2.8 Analisis statistik

Karena tidak layak di sebagian besar kondisi eksperimental untuk memvisualisasikan semua populasi kerucut bersama-sama dalam satu retina, data kuantitatif dikumpulkan untuk perbandingan statistik. Pada Gambar 2b, ANOVA satu arah digunakan untuk menguji perbedaan kepadatan kerucut di seluruh kondisi ablasi kerucut. Perbandingan berpasangan antara kondisi ablasi kerucut dibuat menggunakan uji jumlah peringkat Wilcoxon-Mann-Whitney. Pada Gambar 7, ANOVA satu arah digunakan untuk menguji perbedaan kepadatan kerucut di seluruh jenis kerucut di setiap kondisi ablasi. Perbandingan berpasangan antara jenis kerucut dibuat menggunakan uji jumlah peringkat Wilcoxon-Mann-Whitney. Pada Tabel 4 (lihat Bagian 3), perbandingan berpasangan antara tipe kerucut pada populasi kontrol dan populasi yang diregenerasi dibuat menggunakan uji jumlah peringkat Wilcoxon-Mann-Whitney. Semua uji statistik dilakukan dengan menggunakan tingkat signifikansi 0,05. Semua ukuran kuantitatif dilaporkan sebagai mean ± standard error (SEM).

  • Catatan: p-nilai dari perbandingan berpasangan kepadatan kerucut dalam 15 dpf yang tidak diablasi, ikan kontrol vs. kepadatan kerucut yang diregenerasi (EdU-positif) pada ikan yang diobati dengan Met, uji jumlah peringkat Wilcoxon–Mann–Whitney. ("Regen." diregenerasi, kerucut merah "R", kerucut hijau "G", kerucut UV "UV", dan kerucut biru "B").

Ekspresi dinamis dari gen pengatur hormon tiroid selama perkembangan

Data kami menunjukkan bahwa kontrol temporal pensinyalan hormon tiroid menentukan keputusan nasib kerucut S-versus-L/M, di mana pensinyalan rendah awal menginduksi nasib S dan pensinyalan tinggi akhir menginduksi nasib L/M. Hormon tiroid sebagian besar ada dalam dua keadaan: tiroksin (T4), bentuk paling melimpah dari hormon tiroid, dan T3, yang mengikat reseptor hormon tiroid dengan afinitas tinggi (31, 35). Karena media kultur mengandung jumlah rendah T3 dan T4, kami berhipotesis bahwa retina itu sendiri dapat memodulasi dan/atau menghasilkan hormon tiroid untuk mengontrol nasib subtipe.

Konversi T4 ke T3 terjadi secara lokal di jaringan target untuk menginduksi respon ekspresi gen (36, 37). Deiodinases—enzim yang memodulasi kadar T3 dan T4—diekspresikan di retina tikus, ikan, dan ayam (29, 3842). Oleh karena itu, kami memperkirakan bahwa enzim pendegradasi T3 dan T4 akan diekspresikan selama perkembangan mata manusia awal untuk mengurangi pensinyalan hormon tiroid dan menentukan sel kerucut S, sedangkan enzim, pembawa, dan pengangkut penghasil T3 akan diekspresikan kemudian dalam perkembangan mata manusia untuk meningkat. sinyal dan menghasilkan kerucut L/M.

Untuk menguji prediksi ini, kami memeriksa ekspresi gen selama 250 hari perkembangan organoid. Pola ekspresi gen pengatur hormon tiroid dikelompokkan menjadi tiga kelas: ekspresi berubah (Gbr. 4A), ekspresi konsisten (Gbr. 4B), atau tanpa ekspresi (Gbr. 4C). Deiodinase 3 (DIO3), enzim yang mendegradasi T3 dan T4 (36), diekspresikan pada tingkat tinggi di awal perkembangan organoid tetapi pada tingkat rendah kemudian (Gbr. 4A). Sebaliknya, deiodinase 2 (DIO2), enzim yang mengubah T4 menjadi T3 aktif (36), diekspresikan pada tingkat rendah lebih awal tetapi kemudian meningkat secara dramatis dari waktu ke waktu (Gbr. 4A). Kami memeriksa data RNA-seq dari Hoshino et. Al (23) dan menemukan bahwa retina manusia yang sedang berkembang menunjukkan perubahan temporal yang serupa dalam ekspresi DIO3 dan DIO2 (gbr. S3A). Deiodinase 1 (DIO1), yang mengatur T3 dan T4 terutama di hati dan ginjal (43), tidak diekspresikan dalam organoid atau retina (Gbr. 4C dan Gbr. S3C). Dengan demikian, ekspresi dinamis dari Dio3 dan Dio2 mendukung pensinyalan hormon tiroid yang rendah di awal perkembangan untuk menghasilkan kerucut S dan pensinyalan hormon tiroid yang tinggi terlambat untuk menghasilkan kerucut L/M.

(A ke C) Peta panas nilai log(TPM + 1) untuk gen dengan (A) mengubah ekspresi, (B) ekspresi konsisten, dan (C) tanpa ekspresi. Angka di bagian bawah peta panas menunjukkan usia organoid dalam hari. (D) Model mekanisme temporal spesifikasi subtipe kerucut pada manusia. Untuk kesederhanaan, hanya peran DIO3 dan DIO2 yang diilustrasikan. Pada langkah 1, ekspresi DIO3 menurunkan T3 dan T4, yang mengarah ke spesifikasi kerucut S. Pada langkah 2, ekspresi DIO2 mengubah T4 menjadi T3 untuk memberi sinyal Thrβ untuk menekan S dan menginduksi nasib kerucut L/M.

Konsisten dengan peran pensinyalan hormon tiroid yang tinggi dalam pembentukan sel kerucut L/M di kemudian hari, ekspresi transthyretin (TTR), protein pembawa hormon tiroid, meningkat selama perkembangan organoid dan retina (Gbr. 4A dan Gbr. S3A) (23). Sebaliknya, albumin (ALB) dan globulin pengikat tiroksin (SERPINA7), protein pembawa lain dari T3 dan T4, tidak diekspresikan dalam organoid atau retina (Gbr. 4C dan Gbr. S3C) (23).

T3 dan T4 diangkut ke dalam sel melalui protein transpor membran (44). Pengangkut T3/T4 SLC7A5 dan SLC7A8 peningkatan ekspresi selama diferensiasi organoid (Gbr. 4A). Selain itu, dua transporter T3/T4, SLC3A2 dan SLC16A2, diekspresikan pada tingkat yang tinggi dan konsisten selama perkembangan organoid (Gbr. 4B). Pengangkut T3/T4 lainnya (SLC16A10, SLCO1C1, dan SLC5A5) tidak diekspresikan dalam organoid (Gbr. 4C), menunjukkan regulasi spesifik jaringan dari serapan T3/T4. Kami mengamati pola ekspresi serupa dari transporter T3/T4 di retina manusia (gbr. S3, A ke C) (23).

Kami selanjutnya memeriksa ekspresi aktivator dan represor transkripsi yang memediasi respons terhadap hormon tiroid. Konsisten dengan melalui ekspresi dalam kerucut manusia (45), ekspresi dari melalui dalam organoid meningkat seiring waktu sebagai sel kerucut yang ditentukan (Gbr. 4A). Ekspresi reseptor hormon tiroid (melalui) juga meningkat seiring waktu (Gbr. 4A). Kofaktor reseptor hormon tiroid, korepresor NCoR2 dan koaktivator MED1, diekspresikan pada tingkat yang stabil selama diferensiasi organoid (Gbr. 4B). Pola ekspresi temporal serupa diamati pada retina manusia (gbr. S3, A dan B) (23). Dengan demikian, data kami menunjukkan bahwa ekspresi Thrβ dan regulator transkripsi lainnya memungkinkan respons regulasi gen terhadap tingkat hormon tiroid yang berbeda.

Jalur kompleks mengontrol produksi hormon tiroid. Hormon pelepas tirotropin (TRH) diproduksi oleh hipotalamus dan jaringan saraf lainnya. TRH merangsang pelepasan thyroid-stimulating hormone (CGA) dan thyroid-stimulating hormone (TSHβ) dari kelenjar pituitari. CGA dan TSHβ mengikat reseptor hormon perangsang tiroid (TSHR) di kelenjar tiroid. Produksi T3 dan T4 membutuhkan tiroglobulin (TG), substrat untuk sintesis T3/T4, dan tiroid peroksidase (TPO), suatu enzim yang mengiodinasi residu tirosin dalam TG (46). TRH diekspresikan dalam organoid dan retina, tetapi pemain lain tidak (Gbr. 4, A ke C, dan Gbr. S3, A ke C) (23, 47, 48), menunjukkan bahwa retina itu sendiri tidak menghasilkan hormon tiroid, melainkan memodulasi tingkat relatif T3 dan T4 dan mengekspresikan TRH untuk memberi sinyal untuk produksi hormon tiroid di jaringan lain.

Oleh karena itu, ekspresi temporal regulator pensinyalan hormon tiroid mendukung model kami bahwa retina secara intrinsik mengontrol kadar T3 dan T4, memastikan pensinyalan hormon tiroid yang rendah lebih awal untuk mempromosikan nasib S dan pensinyalan hormon tiroid yang tinggi terlambat untuk menentukan nasib L/M (Gbr. 4D) .

Organoid menyediakan sistem yang kuat untuk menentukan mekanisme perkembangan manusia. Model organisme dan studi epidemiologi menghasilkan hipotesis penting tentang biologi manusia yang sering kali tidak dapat dipecahkan secara eksperimental. Karya ini menunjukkan bahwa organoid memungkinkan pengujian langsung hipotesis dalam mengembangkan jaringan manusia.

Studi kami mengidentifikasi regulasi temporal pensinyalan hormon tiroid sebagai mekanisme yang mengontrol spesifikasi subtipe kerucut pada manusia. Konsisten dengan temuan kami, bayi manusia prematur dengan T3/T4 rendah memiliki peningkatan insiden cacat penglihatan warna (4952). Selain itu, identifikasi kami tentang mekanisme yang menghasilkan satu subtipe kerucut sambil menekan yang lain, ditambah dengan transplantasi yang berhasil dan penggabungan fotoreseptor yang diturunkan dari sel punca pada tikus (5356), menunjukkan bahwa janji terapi untuk mengobati penyakit manusia seperti buta warna, retinitis pigmentosa, dan degenerasi makula akan tercapai dalam waktu dekat.


Ilmuwan merancang 'mata bionik' yang suatu hari nanti dapat membantu penyandang disabilitas visual

Dari kiri, Stephen Baccus, asisten profesor neurobiologi Phil Huie, ahli biologi sel Alexander Vankov, fisikawan dan Daniel Palanker, asisten profesor (penelitian) oftalmologi, menerbitkan desain sistem prostesis retina mereka pada 22 Februari. Jurnal Teknik Saraf.

Fisikawan Stanford dan dokter mata telah bekerja sama untuk merancang semacam "mata bionik".

Pada 22 Februari di Jurnal Teknik Saraf, Daniel Palanker, Alexander Vankov dan Phil Huie dari Departemen Oftalmologi dan Laboratorium Fisika Eksperimental Hansen dan Stephen Baccus dari Departemen Neurobiologi menerbitkan desain sistem prostesis retina optoelektronik yang dapat merangsang retina dengan resolusi yang sesuai dengan ketajaman visual 20 /80—cukup tajam untuk mengarahkan diri Anda ke objek, mengenali wajah, membaca font besar, menonton TV dan, mungkin yang paling penting, menjalani kehidupan yang mandiri. Para peneliti berharap perangkat mereka suatu hari nanti dapat membawa penglihatan buatan bagi mereka yang buta karena degenerasi retina. Mereka menguji sistem mereka pada tikus, tetapi uji coba pada manusia setidaknya tiga tahun lagi.

"Ini adalah penelitian dasar," kata Palanker, seorang fisikawan yang tugas utamanya adalah di Departemen Oftalmologi. "Ini adalah inti dari Bio-X," katanya, mengacu pada inisiatif interdisipliner Stanford untuk mempercepat penelitian biomedis dari bangku ke samping tempat tidur.

Proyek ini didanai sebagian oleh Angkatan Udara AS dan VISX Corp., yang melisensikan teknologi melalui Kantor Lisensi Teknologi Stanford. Harvey Fishman, yang bukan penulis makalah saat ini tetapi mengarahkan Laboratorium Teknik Jaringan Mata Stanford, memelopori proyek tersebut.

Penyakit retina degeneratif mengakibatkan kematian sel fotoreseptor berbentuk batang di perifer retina yang bertanggung jawab untuk penglihatan malam dan sel berbentuk kerucut di pusatnya yang bertanggung jawab untuk penglihatan warna. Di seluruh dunia, 1,5 juta orang menderita retinitis pigmentosa (RP), penyebab utama kebutaan bawaan. Di dunia Barat, degenerasi makula terkait usia (AMD) adalah penyebab utama kehilangan penglihatan pada orang di atas usia 65 tahun, dan masalah ini menjadi lebih kritis seiring bertambahnya usia populasi. Setiap tahun, 700.000 orang didiagnosis dengan AMD, dengan 10 persen menjadi buta secara hukum, yang ditentukan oleh penglihatan 20/400. Banyak pasien AMD mempertahankan beberapa derajat penglihatan tepi.

"Saat ini, tidak ada pengobatan yang efektif untuk sebagian besar pasien dengan AMD dan RP," kata para peneliti dalam makalah mereka. "Namun, jika seseorang dapat melewati fotoreseptor dan secara langsung merangsang retina bagian dalam dengan sinyal visual, seseorang mungkin dapat memulihkan beberapa derajat penglihatan."

Untuk itu, para peneliti berencana untuk secara langsung merangsang lapisan di bawah fotoreseptor mati menggunakan sistem yang terlihat seperti sepupu dari insinyur buta visor berteknologi tinggi yang dikenakan Lt. Geordi La Forge. Star Trek: Generasi Selanjutnya. Ini terdiri dari kamera video kecil yang dipasang pada kacamata gaya "virtual reality" transparan. Ada juga prosesor komputer seukuran dompet, baterai bertenaga surya yang ditanamkan di iris dan chip penginderaan cahaya yang ditanamkan di retina.

Chip ini berukuran setengah butir beras𔃋 milimeter—dan memungkinkan pengguna untuk melihat 10 derajat bidang visual sekaligus. Ini adalah plastik persegi panjang datar (akhirnya versi silikon akan dikembangkan) dengan satu sudut dipotong untuk menciptakan asimetri sehingga ahli bedah dapat mengarahkannya dengan benar selama implantasi. Salah satu desain mencakup kebun pilar: Satu sisi setiap pilar adalah piksel penginderaan cahaya dan sisi lainnya adalah elektroda perangsang sel. Kepadatan pilar menentukan resolusi gambar, atau ketajaman visual. Potongan kebun di sepertiga bagian atas chip ditanam dengan padat. Strip di tengah cukup padat, dan strip di bagian bawah masih lebih jarang. Elektroda padat menghasilkan resolusi gambar yang lebih baik tetapi dapat menghambat migrasi sel retina yang diinginkan ke dalam rongga di dekat elektroda, sehingga kepadatan elektroda yang berbeda dari desain chip saat ini memungkinkan para peneliti untuk mengeksplorasi parameter dan menghasilkan chip yang berkinerja optimal. Desain lain—elektroda pori—melibatkan susunan rongga dengan elektroda perangsang yang terletak di dalam masing-masing rongga.

Bagaimana sistem bekerja saat melihat, katakanlah, bunga? Pertama, cahaya dari bunga memasuki kamera video. (Ingatlah bahwa teknologi kamera sudah cukup bagus dalam menyesuaikan kontras dan jenis peningkatan gambar lainnya.) Kamera video kemudian mengirimkan gambar bunga ke komputer seukuran dompet untuk pemrosesan yang rumit. Prosesor kemudian secara nirkabel mengirimkan gambar bunga ke layar LED-LCD inframerah yang dipasang pada kacamata. Kacamata transparan memantulkan gambar inframerah ke mata dan ke chip retina. Sama seperti orang dengan penglihatan normal tidak dapat melihat sinyal inframerah yang keluar dari remote control TV, gambar bunga inframerah ini juga tidak terlihat oleh fotoreseptor normal. Tetapi untuk implan retina olahraga, bunga inframerah secara elektrik merangsang susunan fotodioda implan. Hasil? Mereka mungkin tidak harus puas hanya berbau mawar.

Pemrosesan kompleks: Mata memilikinyaMata adalah mesin yang kompleks. Ia memiliki lebih dari 100 juta fotoreseptor. “Jika kita bandingkan dengan kamera digital modern, misalnya, akan menjadi 100 megapiksel,” kata Palanker saat wawancara di Laboratorium Fisika Eksperimental Hansen. "Kami biasanya membeli kamera tiga megapiksel, mungkin empat."

Dan jika kamera elektronik melakukan pemrosesan gambar dengan baik, mata melakukan pekerjaan yang spektakuler, mengompresi informasi sebelum mengirimkannya ke otak melalui 1 juta akson yang membentuk saraf optik. "Kami memiliki prosesor built-in di mata," kata Palanker. "Sebelum masuk ke otak, gambar diproses secara signifikan."

Lapisan bawah fotoreseptor adalah tempat pigmen protein rhodopsin—a yang mengubah cahaya menjadi sinyal listrik—ada. Tapi sejauh pemrosesan sinyal yang bersangkutan, karet bertemu jalan di mana sinyal memasuki lapisan nuklir bagian dalam, yang diisi dengan sel bipolar, amakrin dan horizontal. Ketiga pekerja keras seluler ini memproses sinyal dan mentransfernya ke lapisan sel ganglion, atau "kaskade keluaran" saraf yang mengirimkan pulsa sinyal ke otak.

Yang terbaik adalah menempatkan implan pada tingkat pemrosesan gambar paling awal yang dapat diakses, kata Palanker. "[Tingkat yang dapat diakses] paling awal di retina yang mengalami degenerasi adalah di lapisan nuklir, dan semakin Anda mengikuti rantai pemrosesan gambar, semakin kompleks sinyalnya."

Para peneliti Stanford mencoba memanfaatkan sebagian besar kekuatan pemrosesan yang tersisa di retina setelah degenerasi retina dengan menempatkan implan mereka di sisi retina yang menghadap bagian dalam mata (penempatan "subretina"), yang bertentangan dengan beberapa kelompok lain di Amerika Serikat. Amerika Serikat, Jerman dan Jepang yang menempatkan implan retina di sisi retina yang menghadap ke luar bola mata (penempatan "epiretinal").

Pemrosesan sinyal memungkinkan mata untuk mendeteksi arah gerakan, melihat warna, meningkatkan kontras, dan menyesuaikan dengan tingkat kecerahan yang berbeda. "Mata kami adalah mesin yang luar biasa dapat disesuaikan," kata Palanker. Ini beroperasi dalam tingkat kecerahan yang menjangkau delapan kali lipat, yang berarti dapat mendeteksi objek redup dan objek yang 100 juta kali lebih terang, "dari malam tanpa bulan hingga siang yang cerah," katanya.

Mungkin tampak berlawanan dengan intuisi bahwa ketika diproses oleh sistem visual, sinyal berjalan dari bagian belakang mata menuju bagian dalam mata, bukan dari permukaan bagian dalam retina dan keluar bagian belakang mata. Tetapi fotoreseptor yang aktif secara metabolik membutuhkan banyak dukungan. Mereka terhubung ke lapisan berpigmen tinggi yang disebut epitel pigmen retina (RPE) yang tumbuh di atas lapisan jaringan yang sangat vaskularisasi (koroid) yang membawa aliran darah yang banyak. Jika suplai darah dan RPE berada di dalam mata, mereka akan mengaburkan cahaya dari sel fotosensitif. Palanker menjelaskan: "Itulah mengapa ia dibangun terbalik, karena sel-sel di atas'bipolar dan ganglion' tidak membutuhkan nutrisi dan dukungan metabolik sebanyak fotoreseptor."

Aspek penting dari persepsi visual adalah gerakan mata. Palanker mengatakan sistem Stanford memberikan keuntungan yang kuat dibandingkan perangkat yang lebih mendasar yang sekarang sedang diuji pada manusia oleh perusahaan AS karena, selain memanfaatkan kekuatan pemrosesan gambar alami mata dengan penempatan implan subretinal, sistem ini melacak gerakan mata intermiten yang cepat yang diperlukan. untuk persepsi gambar alami. Vankov, seorang fisikawan, merancang sistem proyeksi dan pelacakan.

"Pada kenyataannya, ketika Anda berpikir Anda terpaku pada titik tertentu, mata Anda tidak stabil," kata Palanker. "Anda melakukan pemindaian mikro setiap saat. Jadi jika Anda akan memproyeksikan gambar tidak melalui mata, tetapi hanya mengirimkannya dari kamera ke implan, melewati mata yang bergerak, ini tidak akan menjadi persepsi alami karena Anda akan sepenuhnya menghilangkan ini. tautan."

Alon Asher, seorang mahasiswa pascasarjana dalam ilmu komputer di Universitas Tel Aviv, menghabiskan satu semester bekerja dengan Palanker pada perangkat lunak yang menghubungkan pemrosesan gambar dengan deteksi gerakan. Dia sekarang melanjutkan pekerjaannya pada proyek dari Israel. Asisten Profesor Neurobiologi Stephen Baccus, rekan penulis makalah yang ahli dalam pemrosesan sinyal retina, memberi tahu kelompok itu tentang detail pemrosesan gambar.

Dalam sistem Stanford, amplifikasi gambar dan pemrosesan lainnya terjadi di perangkat keras, di luar mata. Jika amplifikasi terjadi di dalam piksel implan, seperti yang terjadi pada satu desain Jerman, tidak akan ada jalan lain untuk melakukan penyesuaian.

Sistem Stanford juga menggunakan trik lama yang baru. Dengan menyelaraskan gambar nyata dan gambar yang disempurnakan, ini memungkinkan pasien untuk memanfaatkan penglihatan tepi yang tersisa sambil memaksimalkan implan. Sistem realitas virtual yang memungkinkan penyelarasan pandangan nyata dan simulasi sudah digunakan oleh pilot dan ahli bedah, kata Palanker. "Penjajaran informasi tambahan dengan tampilan normal ini memungkinkan ahli bedah untuk melihat di mikroskop lokasi operasi, sementara mata lainnya mendapatkan proyeksi, katakanlah, gambar CT atau MRI dari pasien yang sama. Jadi mereka dapat menghubungkan informasi yang tidak mereka lihat di lokasi operasi untuk temuan anatomi dan tahu persis di mana tumor atau masalah lainnya."

Anugerah fisika yang luar biasaDesain baru menjawab pertanyaan besar tentang apa yang layak untuk perangkat bionik. Biologi memberlakukan batasan, seperti kebutuhan akan sistem yang tidak akan memanaskan sel lebih dari 1 derajat Celcius dan untuk antarmuka elektrokimia yang tidak korosif.

Implan retina saat ini memberikan resolusi sangat rendah—hanya beberapa piksel. Tetapi beberapa ribu piksel akan diperlukan untuk pemulihan penglihatan fungsional. Desain Stanford menggunakan kerapatan piksel hingga 2.500 piksel per milimeter, sesuai dengan ketajaman visual 20/80, yang dapat memberikan penglihatan fungsional untuk membaca buku dan menggunakan komputer.

Keterbatasan fisik mengenai stimulasi listrik kemungkinan besar membuat implan tidak mungkin memberikan ketajaman visual 20/10 (ketajaman yang dibutuhkan untuk melihat garis bawah pada grafik mata), 20/20 (yang disebut standar penglihatan yang baik) atau bahkan 20/40 (tingkat penglihatan yang harus diperbaiki agar memenuhi syarat untuk mendapatkan SIM California).

Faktor pembatas utama dalam mencapai resolusi tinggi menyangkut kedekatan elektroda dengan sel target. Kepadatan piksel 2.500 piksel per milimeter persegi sesuai dengan ukuran piksel hanya 20 mikrometer. Tetapi untuk stimulasi yang efektif, sel target tidak boleh lebih dari 10 mikrometer dari elektroda. Praktis tidak mungkin menempatkan ribuan elektroda begitu dekat dengan sel, kata Palanker. Dengan implan subretina tetapi bukan implan epiretinal, peneliti Stanford menemukan fenomena—migrasi retina—yang sekarang mereka andalkan untuk mendorong sel retina bergerak di dekat elektroda—dalam jarak 7 hingga 10 mikron. Dalam tiga hari, sel-sel bermigrasi untuk mengisi ruang antara pilar dan pori-pori.

"Jika gunung tidak datang kepada Muhammad, Muhammad yang pergi ke gunung itu," kata Palanker. "Kami tidak dapat menempatkan elektroda yang dekat dengan sel. Kami sebenarnya mengundang sel untuk datang ke situs elektroda, dan mereka melakukannya dengan senang hati dan sangat cepat."

Saat ini para peneliti sedang menguji dua desain secara paralel karena mereka belum yakin mana yang terbaik. Salah satu desain menggunakan elektroda yang menonjol dari chip seperti pilar. Pilar memungkinkan sel retina akses yang lebih besar ke nutrisi dan membiarkan peneliti mempengaruhi lapisan sel tertentu dengan mengontrol ketinggian pilar. Tapi pilar mengekspos lebih banyak sel ke jaringan saat ini, berpotensi memanaskan dan meningkatkan kesempatan untuk "berbicara silang" di mana banyak elektroda mempengaruhi satu sel. Desain kedua memiliki elektroda tersembunyi ke dalam pori-pori, yang melokalisasi arus dan membuat stimulasi selektif, mungkin memungkinkan peneliti untuk merangsang sel tunggal.

Huie, seorang ahli biologi sel dan ahli histologi, menanamkan chip pada tikus menggunakan alat unik yang ia dan orang lain kembangkan. Sejauh ini studi tikus jangka pendeknya tidak menunjukkan penolakan terhadap implan. Langkah selanjutnya adalah tes yang lebih lama pada tikus, serta tes pada hewan yang lebih besar yang model distrofi retinanya ada. Para peneliti saat ini mengirimkan chip ke Joseph Rizzo, seorang profesor oftalmologi di Harvard Medical School, untuk ditanamkan ke babi.

Profesor Mark Blumenkranz, ketua Departemen Oftalmologi, memberi nasihat kepada penulis tentang masalah bedah, dan Profesor Michael Marmor di departemen itu, seorang ahli dalam fisiologi retina, memberikan nasihat tentang elektrofisiologi retina. Mahasiswa pascasarjana Ke Wang dalam fisika terapan dan Neville Mehenti dalam teknik kimia saat ini bekerja dengan Fishman dari Stanford Ophthalmic Tissue Engineering Laboratory pada elektroda karbon nanotube dan pada stimulasi kimia sel retina. Mahasiswa kedokteran Ian Chan terus mengembangkan teknologi fabrikasi litografi untuk implan. Alex Butterwick, seorang mahasiswa pascasarjana dalam fisika terapan, sedang mempelajari mekanisme kerusakan sel dan batas aman stimulasi listrik.


Visi baru untuk terapi gen yang diberikan AAV

(BOSTON) — Dalam beberapa tahun terakhir, adeno-associated virus (AAV) telah diakui sebagai kendaraan (vektor) terkemuka untuk in vivo pengiriman gen terapeutik karena non-patogen dan efisien menargetkan banyak jenis sel dan jaringan yang berbeda. Persetujuan Federal Drug Administration (FDA) baru-baru ini dari terapi penggantian gen berbasis AAV untuk mengobati atrofi otot tulang belakang dan bentuk distrofi retina yang diturunkan menyoroti janji modalitas terapeutik ini.

Tantangan utama dari in vivo terapi gen adalah potensi mereka untuk menyebabkan reaksi kekebalan dan peradangan, yang dapat mempengaruhi seberapa baik terapi bekerja atau bertahan, dan dalam kasus yang jarang terjadi bahkan dapat mengancam jiwa. Kematian tiga anak yang baru-baru ini dilaporkan yang menerima terapi gen AAV dosis tinggi yang diberikan secara sistemik dalam percobaan untuk mengobati miopati miotubular terkait-X secara dramatis menunjukkan bahwa toksisitas dan respons imun yang dimediasi AAV hanya tidak sepenuhnya dipahami dan bahwa vektor pengiriman AAV saat ini masih membutuhkan untuk lebih ditingkatkan.

Kapsid AAV dan genom keduanya dapat bertindak sebagai komponen imunogenik. Secara khusus, genom vektor, yang mencakup gen terapeutik, dapat mengaktifkan protein yang dikenal sebagai Toll-like receptor 9 (TLR9), yang disebut reseptor pengenalan pola yang mendeteksi DNA asing dalam sel imun khusus. Penginderaan ini pertama-tama memicu respons imun yang menghasilkan peradangan (imunitas bawaan), dan selanjutnya respons imun yang lebih spesifik (imunitas adaptif, dalam bentuk sel T sitotoksik) terhadap kapsid AAV, mencegah terapi dari mengambil efek dan menimbulkan potensi risiko. .

Sekarang, sebuah kolaborasi internasional dari kelompok terkemuka dalam terapi gen dan ilmu penglihatan, termasuk kelompok George Church di Institut Wyss Harvard untuk Teknik Terinspirasi Secara Biologis dan Sekolah Kedokteran Harvard (HMS) dan kelompok Constance Cepko di HMS, mengembangkan strategi "imunomodulasi berpasangan" di mana sekuens penghambat TLR9 pendek digabungkan langsung ke dalam genom AAV yang lebih panjang yang mengandung sekuens DNA terapeutik. Diinvestigasi pada jaringan tikus yang berbeda, serta jaringan okular babi dan primata non-manusia, pendekatan tersebut menunjukkan potensi anti-imunogenik yang luas. Yang penting, penelitian ini juga menyoroti bahwa jalur selain aktivasi TLR9 kemungkinan berkontribusi terhadap peradangan pada model injeksi AAV intravitreal yang sangat imunogenik pada kera. Karya tersebut diterbitkan di Ilmu Kedokteran Terjemahan.

Perbandingan pewarnaan histologis jaringan hati yang diperoleh dari tikus yang tidak diobati dengan vektor AAV (kiri), diperlakukan dengan vektor AAV yang tidak dimodifikasi diharapkan imunogenik (tengah), atau diperlakukan dengan vektor AAV serupa tetapi genomnya direkayasa untuk mengandung rangkaian penghambatan TLR9 pendek (kanan), menunjukkan bahwa strategi “coupled immunomodulation” tim mencegah infiltrasi sel imun (makrofag sel coklat di panel tengah) ke dalam jaringan hati, suatu indikasi peradangan. Kredit: Institut Wyss di Universitas Harvard

Proyek ini dimulai dalam kelompok George Church di Wyss Institute dan HMS. Church, Ph.D., adalah anggota Fakultas Inti di Institut Wyss dan memimpin platform Biologi Sintetis Institut. Dia juga adalah Profesor Genetika di Harvard Medical School dan Ilmu dan Teknologi Kesehatan di Harvard dan Massachusetts Institutes of Technology (MIT).

Menyelubungi AAV menggunakan imunomodulasi berpasangan

“Kami berhipotesis bahwa potongan kecil DNA yang mengikat dan menghambat aktivasi TLR9, termasuk urutan DNA dari ujung kromosom manusia yang disebut telomer, akan menjadi cara untuk menyelubungi genom AAV dari mekanisme pengawasan kekebalan ini ketika dimasukkan langsung ke dalamnya,” kata penulis pertama dan koresponden Ying Kai Chan, Ph.D., sebelumnya adalah Anggota Postdoctoral yang bekerja dengan Gereja dan Kepala Pejabat Ilmiah di Ally Therapeutics, dan saat ini menjadi Visiting Scholar di Wyss. Chan dan Church keduanya adalah salah satu pendiri perusahaan startup terapi gen Wyss, Ally Therapeutics.

Tim memulai dengan menghasilkan serangkaian DNA sintetis sekuens “oligonukleotida penghambat inflamasi” (IO) yang masing-masing membawa bagian yang sangat inflamasi terkait dengan salah satu rangkaian penghambat TLR9 yang berbeda, dan menguji efeknya pada sel yang dikultur. Kehadiran urutan penghambatan TLR9 mengurangi respons inflamasi hingga 95%. Ketika secara langsung dimasukkan sebagai seri tandem ke dalam vektor AAV, IO mengurangi respons imun bawaan dalam sel imun primer manusia dibandingkan dengan vektor yang tidak dimodifikasi.

Setiap modalitas terapi baru yang mencapai keberhasilan awal di klinik harus bergulat dengan masalah yang muncul sebelum dapat digunakan secara luas, dan terapi gen AAV tidak terkecuali. Pekerjaan kami merupakan langkah penting dalam pengembangan vektor AAV generasi berikutnya yang lebih aman dan efektif.

Untuk menguji strategi di AAV in vivo, para peneliti memberikan AAV sebagai pengobatan sistemik atau secara lokal ke dalam jaringan otot tikus. Mengendalikan virus yang kekurangan sekuens IO menginduksi respons interferon anti-virus dan infiltrasi sel imun bawaan di hati hewan, dan menyebabkan infiltrasi dan aktivasi sel T sitotoksik di jaringan otot. Efek ini tidak ada pada tikus mutan yang tidak memiliki jalur TLR9 fungsional, menunjukkan bahwa TLR9 memang merupakan pengatur utama peradangan yang diinduksi AAV. Yang penting, efeknya diblokir atau jauh berkurang pada tikus yang menerima AAV rekayasa yang mengandung sekuens IO dalam genom mereka, dan strategi imunomodulasi yang digabungkan meningkatkan ekspresi transgen yang dikirimkan virus, yang menunjukkan potensi kemanjuran yang lebih tinggi.

Menyelidiki imunomodulasi gabungan di mata

Mata sering digambarkan sebagai situs yang memiliki keistimewaan kekebalan karena adanya penghalang darah-retina yang membatasi masuknya sel-sel kekebalan, dan faktor penekan kekebalan. Namun, beberapa uji klinis telah melaporkan peradangan intraokular setelah pemberian dosis AAV yang relevan secara terapeutik ke dalam mata, menunjukkan batas untuk hak kekebalan. Sebagian besar terapi gen berbasis AAV di mata diterapkan langsung ke retina (injeksi subretina). Pengiriman AAV ke rongga vitreous (injeksi intravitreal) mata sangat diinginkan karena akan kurang invasif dan berpotensi memungkinkan untuk menargetkan lebih banyak sel, tetapi sayangnya sangat inflamasi.

AAV dengan urutan penghambatan TLR9 yang dimasukkan ke dalam genom mereka memungkinkan ekspresi yang lebih tinggi secara signifikan dari gen reporter fluoresen terkait di retina tikus (kanan) daripada AAV yang tidak memiliki urutan (kiri) setelah pemberian intravitreal. Kredit: David Copland/University of Bristol, Inggris

Menggunakan in vivo pencitraan dan teknik karakterisasi sel kekebalan setelah injeksi virus AAV intravitreal pada tikus, tim menunjukkan bahwa penggabungan urutan IO dalam genom virus mengurangi peradangan dan jumlah populasi sel T yang menyusup di mata dibandingkan dengan AAV yang tidak dimodifikasi. Ini lebih lanjut bertepatan dengan peningkatan berlipat ganda dalam ekspresi gen reporter yang dikodekan vektor di retina.

Selanjutnya, tim mempelajari strategi imunomodulasi gabungan mereka pada model hewan besar, pertama pada babi melalui suntikan subretina, dan kemudian pada monyet kera melalui injeksi intravitreal. “Kami menemukan bahwa strategi tersebut memperbaiki patologi berbeda yang dipicu oleh virus AAV kontrol pada babi, termasuk pemendekan sel fotoreseptor yang penting untuk ketajaman penglihatan tinggi,” kata Sean Wang, M.D., yang berkolaborasi dengan Chan sebagai mahasiswa kedokteran di kelompok Cepko. Mereka juga menemukan infiltrasi lapisan fotoreseptor retina oleh sel-sel kekebalan, termasuk mikroglia dan sel T, secara substansial dibalik.

“Pada kera yang menerima AAV yang direkayasa dan dikendalikan melalui injeksi intravitreal, efek imunosupresif ini sayangnya tidak begitu jelas meskipun kami melihat bahwa pendekatan imunomodulasi yang digabungkan menunda gejala uveitis klinis yang dipicu oleh virus kontrol, dan memungkinkan peningkatan dua kali lipat dalam ekspresi gen terapeutik, ”kata Wang. Juga, penggunaan imunosupresi sistemik profilaksis tidak dapat mencegah uveitis yang diamati, menunjukkan bahwa tantangan imunogenisitas untuk rute ini lebih kompleks.

Analisis retina babi yang menerima suntikan subretinal baik vektor AAV yang tidak dimodifikasi (kiri) atau vektor AAV yang direkayasa dengan urutan penghambatan TLR9 dalam genomnya (kanan), menunjukkan bahwa yang terakhir menghindari pemendekan segmen luar fotoreseptor kerucut (menonjol pada atas di gambar atas) yang bertanggung jawab untuk penglihatan ketajaman tinggi, dan memblokir infiltrasi sel mikroglia yang diaktifkan ke fotoreseptor (mikroglia putih di lapisan fotoreseptor hijau di gambar bawah). Kredit: Departemen Genetika Sean Wang/HMS dan Institut Blavatnik

“Hasil dari toksisitas intravitreal yang disebabkan oleh AAV, dan respons sederhana terhadap urutan pemblokiran TLR9 dan steroid, menunjukkan bahwa ada lebih dari satu mekanisme yang menyebabkan toksisitas dari tempat suntikan ini. Kami sekarang dapat maju dengan pemahaman ini dan mencari jalur tambahan, ”kata Cepko, Ph.D., Profesor Genetika dan Ilmu Saraf Bullard di Institut Blavatnik di HMS, dan Penyelidik dari Institut Medis Howard Hughes dan anggota Institut Sel Induk Harvard.

“Setiap modalitas terapi baru yang mencapai kesuksesan awal di klinik harus bergulat dengan masalah yang muncul sebelum dapat digunakan secara luas, dan terapi gen AAV tidak terkecuali. Pekerjaan kami merupakan langkah penting dalam pengembangan vektor AAV generasi berikutnya yang lebih aman dan lebih efektif” kata Chan.

“Kolaborasi penting yang diprakarsai Wyss di antara para ahli terkemuka dalam biologi sintetik, ilmu penglihatan, dan terapi gen ini membuka arah baru dalam rekayasa AAV yang pada akhirnya dapat membantu membuat terapi gen lebih aman dan efektif melalui rekayasa genom virus yang ditargetkan,” kata Direktur Pendiri Wyss. Donald Ingber, MD, Ph.D., yang juga merupakan Judah Folkman Profesor Biologi Vaskular di Harvard Medical School dan Boston Children's Hospital, dan Profesor Bioteknologi di Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences.

Penulis kunci lainnya dengan kontribusi kunci untuk penelitian ini adalah Andrew Dick di University of Bristol, Federico Mingozzi Inggris, di Sorbonne Université, Paris, dan Genethon Maureen McCall dan Henry Kaplan di University of Louisville, KY Guangping Gao di University of Massachusetts Medical School , Worcester, MA dan kolaborator tambahan dan anggota kelompok penulis di atas dan Institut Wyss, termasuk Colin Chu, David Copland, Alexander Letizia, Helena Costa Verdera, Jessica Chiang, Meher Sethi, May Wang, William Neidermyer Jr., Yingleong Chan, Elaine Lim, Amanda Graveline, Melinda Sanchez, Ryan Boyd, Thomas Vihtelic, Rolando Gian Carlo Inciong, Jared Slain, Priscilla Alphonse, Yunlu Xue, Lindsey R. Robinson-McCarthy, Jenny Tam, Maha Jabbar, Bhubanananda Sahu, Janelle Adeniran, Manish Muhuri , Phillip Tai, Jun Xie, Tyler Krause, Andyna Vernet, Matthew Pezone, Ru Xiao, Tina Liu, dan Wei Wang.Studi ini didanai oleh Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering di Harvard Unversity, National Institutes of Health di bawah hibah# RM1 HG008525 dan EY026158, European Research Council di bawah hibah# 617432, National Eye Research Centre, Inggris, The Underwood Trust, dan Ally Therapeutics .


Memperbaiki atau Mengganti Saraf Optik: Perbatasan Baru dalam Riset Teknologi Penglihatan

Dalam edisi September 2013 dari AksesDunia, kami menjelaskan empat kemajuan terobosan dalam peningkatan penglihatan rendah, termasuk Teleskop Miniatur Implan dari VisionCare Ophthalmic Technologies, dan Prostesis Retina Argus II dari Second Sight. Yang pertama adalah lensa teleskopik seukuran kacang polong yang meningkatkan penglihatan yang dapat digunakan dari individu yang kehilangan penglihatan sentral karena degenerasi makula onset terkait usia tahap akhir. Argus II ditujukan untuk orang dengan retinitis pigmentosa (RP) stadium akhir. Argus II menggunakan sinyal nirkabel untuk merangsang saraf optik secara langsung melalui susunan elektroda yang ditanamkan, melewati batang dan kerucut yang rusak oleh RP.

Meskipun solusi ini mungkin luar biasa, mereka memiliki satu batu sandungan yang sama: mereka masing-masing menganggap penerima memiliki saraf optik yang berfungsi yang cukup dapat mengirimkan sinyal visual ke otak untuk diproses. Tetapi bagaimana jika saraf optik telah rusak oleh glaukoma, multiple sclerosis, atau trauma? Mungkinkah ada cara untuk memperbaiki serabut saraf yang paling kompleks dan rapuh ini? Atau bahkan lebih baik, melewati mereka sama sekali?

Dalam artikel ini kami akan menjelaskan dua terobosan penelitian terbaru—satu yang menunjukkan potensi untuk membantu regenerasi saraf optik yang rusak, dan yang kedua, sebuah sistem yang disebut Gennaris, yang dapat menghasilkan penglihatan tanpa saraf optik, atau bahkan mata itu sendiri.

Meregenerasi Saraf Optik

Saraf optik adalah salah satu saraf terpenting dalam tubuh, kedua setelah sumsum tulang belakang (sumsum tulang belakang mencakup ribuan helai saraf sedangkan saraf optik hanya memiliki satu). Jadi lima belas tahun yang lalu ketika Zhigang He, Profesor neurologi di Rumah Sakit Anak Boston F.M. Kirby Neurobiology Center mendirikan laboratorium untuk menyelidiki cara-cara untuk meregenerasi serabut saraf pada orang dengan cedera tulang belakang, ia memutuskan tempat terbaik untuk memulai adalah mencoba regenerasi saraf pada saraf optik yang rusak sebagai proxy.

Yang lain telah mencoba regenerasi atau perbaikan saraf optik. Upaya pertama menyambungkan bagian saraf sciatic untuk menggantikan saraf optik yang rusak. Kebanyakan akson tidak tumbuh kembali. Sekitar delapan tahun lalu, kelompok Dr. He mencoba eksisi gen untuk menghapus atau memblokir gen penekan tumor. Ini mendorong beberapa regenerasi saraf optik, tetapi juga meningkatkan risiko kanker. Pekerjaan terbaru mereka dengan Dr. Joshua Sanes di Harvard menemukan strategi terapi gen untuk meningkatkan aktivitas faktor pertumbuhan, yang dapat meniru efek regenerasi yang disebabkan oleh penghapusan penekan tumor. Namun demikian, jumlah akson yang diregenerasi dengan pendekatan ini terbatas.

Dia dan rekan peneliti seniornya, Asisten Profesor Neurologi Rumah Sakit Anak Boston Michela Fagiolini, mengambil terapi gen selangkah lebih maju. Mereka menggunakan virus terapi gen yang disebut AAV untuk mengirimkan tiga faktor untuk meningkatkan respons faktor pertumbuhan ke retina, yang merupakan bagian dari sistem saraf optik.

"Seiring waktu kami mampu meregenerasi serabut saraf yang semakin panjang pada tikus dengan saraf optik yang rusak," lapornya. "Sayangnya, serat saraf baru tidak mengirimkan impuls, yang dikenal sebagai potensial aksi, sepanjang jalan dari mata ke otak, jadi tidak ada penglihatan baru."

Dia dan Fagiolini menelusuri masalah itu pada fakta bahwa serabut saraf baru tumbuh tanpa selubung lemak yang disebut Myelin. Myelin menyekat serabut saraf dan menjaga sinyal saraf tetap pada jalurnya, sama seperti insulasi yang mengelilingi kawat tembaga mengarahkan arus listrik ke lampu alih-alih ke stud dan outlet dinding.

Beralih ke literatur medis, ia dan Fagiolini membaca tentang penghambat saluran kalium yang disebut 4-aminopiridin (4-AP) yang diketahui meningkatkan konduksi pesan di serabut saraf yang kekurangan Myelin. Memang, 4-AP dipasarkan sebagai AMPYRA untuk mengobati kesulitan berjalan terkait MS, yang juga melibatkan hilangnya mielin.

"Ketika kami memberikan 4-TP, sinyalnya mampu menjangkau jarak," kata Fagiolini. Sebuah laboratorium terpisah, di mana mereka tidak tahu tikus buta mana yang telah diobati, mengkonfirmasi bahwa tikus yang diobati merespons batang cahaya yang bergerak sementara kelompok kontrol tidak.

"Masih banyak pekerjaan yang harus dilakukan sebelum perawatan ini siap untuk uji coba pada manusia," katanya. Misalnya, tim menggunakan virus terapi gen untuk mengirimkan faktor pertumbuhan yang merangsang regenerasi saraf optik, tetapi He dan Fagiolini percaya bahwa mereka dapat menghasilkan "koktail" injeksi protein faktor pertumbuhan yang sama efektifnya. "Kami mencoba untuk lebih memahami mekanisme dan seberapa sering protein harus disuntikkan," kata He.

Juga belum dipecahkan adalah potensi efek samping dari penggunaan 4-AP untuk meningkatkan transmisi sinyal saraf optik. Obat tersebut dapat menyebabkan kejang jika diberikan secara kronis, jadi He dan Fagiolini telah mulai menguji turunan 4-AP yang tidak disetujui FDA yang akan lebih aman untuk penggunaan jangka panjang. Terlepas dari rintangan yang tersisa, He dan Fagiolini tetap optimis. “Paling tidak sekarang kita punya paradigma yang bisa kita gunakan untuk maju,” ujarnya.

Mata Pikiran

Regenerasi saraf optik dapat membantu jutaan orang, tetapi bagaimana jika kita dapat melewati saraf optik sama sekali dan melihat tanpa satu, atau bahkan tanpa mata fisik? Itulah tujuan Arthur Lowery, Profesor teknik sistem kelistrikan dan komputer di Universitas Monash Australia. Lowery dan timnya saat ini sedang mengerjakan Gennaris, sebuah sistem yang akan merangsang korteks visual otak secara langsung, mengirimkan jaringan impuls listrik yang dapat ditafsirkan oleh otak sebagai pola terang dan gelap yang dapat dikenali.

Penelitian tentang visi "otak" kembali ke tahun 1960-an. "Saat itu Anda membutuhkan ruangan yang penuh dengan peralatan untuk mendapatkan hasil apa pun," kata Lowery. "Bahkan sedikitnya sepuluh atau lima belas tahun yang lalu, menghasilkan grid tiga ratus titik cahaya berarti melewatkan bundel 300 kabel terpisah dari otak ke kamera video eksternal yang besar." Lowery dan timnya sedang membangun pekerjaan sebelumnya ini, mengambil keuntungan dari kemajuan besar yang telah dibuat selama dekade terakhir dalam kekuatan pemrosesan, miniaturisasi komponen, transmisi data nirkabel, dan transmisi daya induksi seperti yang sekarang ditemukan di beberapa ponsel yang dapat ditempatkan di atas pengisi daya daripada harus dicolokkan.

Dalam penglihatan normal, cahaya melewati pupil dan lensa mata dan merangsang sel batang dan kerucut, yang merupakan sel fotoreseptif yang menutupi retina. Sinyal fotokimia ini diubah menjadi impuls saraf, yang pada gilirannya ditransmisikan sepanjang saraf optik ke korteks visual. Di sana, otak mengubah impuls ini menjadi bentuk dan gambar yang dapat dikenali, atau dikenal sebagai penglihatan.

Seperti yang terjadi, neuron di korteks visual juga dapat dirangsang melalui kontak dengan elektroda kecil. "Kami tahu dari penelitian sebelumnya bahwa kami dapat menghasilkan kilatan cahaya yang muncul di tempat yang kira-kira sama setiap kali wilayah korteks visual yang sama dirangsang," kata Lowery. "Jika kita dapat membuat beberapa kilatan ini kurang lebih secara bersamaan, kita dapat membuat jaringan cahaya dan gelap yang belum sempurna yang dapat ditafsirkan oleh otak sebagai sebuah gambar." Bayangkan sebuah persegi enam belas bola lampu menciptakan huruf O dengan menyalakan dua belas bola lampu keliling dan membiarkan empat lampu tengah dimatikan. Atau huruf L yang dibuat oleh titik braille 1, 2, dan 3, dengan sisa sel dikosongkan.

Tim Gennaris berharap dapat membuat kisi-kisi seperti itu menggunakan ubin keramik kecil yang disematkan langsung ke korteks visual subjek uji. "Setiap ubin berukuran sekitar 9 milimeter persegi—sekitar sepertiga inci—dengan empat puluh tiga elektroda kerja di setiap ubin," jelas Lowery. Elektroda ini akan menembus 1,5 hingga 2 milimeter ke dalam korteks visual, mencapai apa yang dikenal sebagai Lapisan Empat, wilayah otak yang paling langsung dirangsang oleh saraf optik.

Sebuah kamera video kecil akan mengirimkan citra real-time ke unit pemrosesan ukuran saku. Di sana, algoritme khusus akan menentukan aspek paling penting dari setiap gambar dan memecahnya menjadi serangkaian kisi terang dan gelap yang berjalan. Kisi-kisi tersebut akan dialirkan secara nirkabel ke kumparan induksi magnetik yang ditempatkan di bagian belakang kepala pasien yang paling dekat dengan korteks visual. Kumparan induksi akan dapat menelurkan muatan kecil dari jarak jauh di masing-masing elektroda yang sesuai, yang kemudian akan merangsang korteks visual dengan cara yang sama seperti yang biasanya dilakukan saraf optik.

"Kami sebenarnya akan memiliki keunggulan dibandingkan prostetik retina implan," kata Lowery. "Sebagian besar penglihatan kita yang paling tajam terjadi di sebagian kecil retina yang kaya akan sel batang dan kerucut yang dikenal sebagai fovea. Fovea hanya berukuran sekitar satu milimeter persegi, jadi prostetik intraokular juga harus menggunakan jaringan retina yang lebih terkait dengan perifer. Namun, area otak yang benar-benar memproses penglihatan sentral adalah dua puluh lima kali lebih besar daripada jaringan retina yang dilayaninya, yang memberi kita potensi dua puluh lima kali resolusi implan retina."

Lowery dan timnya berharap untuk memulai uji klinis pertama mereka pada akhir 2016. "Kami berencana untuk memulai dengan empat ubin, tetapi pada akhirnya kami berharap dapat meningkatkan jumlah itu menjadi sebelas," katanya. "Kami juga berharap dapat mencapai sepuluh frame per detik dalam kecepatan transmisi." Menurut Lowery, resolusi juga berpotensi ditingkatkan berkali-kali dengan melapisi elektroda dengan hormon khusus yang disebut faktor neurotropik yang diturunkan dari otak. "Alih-alih menusuk neuron otak dengan elektroda, bahan kimia ini sebenarnya akan mendorong neuron untuk menjangkau dan membuat kontak dan koneksi baru, seolah-olah elektroda adalah sel otak lainnya."

Juga menurut Lowery, penggambaran realistis dunia di sekitar kita bukanlah segalanya dan mengakhiri semua potensi Gennaris. "Kami sudah memiliki pengenalan wajah yang melakukan pekerjaan yang baik untuk mengidentifikasi orang. Bayangkan sebuah ikon khusus yang mewakili suami atau istri Anda, yang lain untuk setiap anak Anda yang dapat mencakup konten emosional, senyum, air mata, dan sejenisnya. Penanda arah dan jarak untuk pintu, elevator, dan jendela juga dimungkinkan. Kami bahkan dapat membuat sistem panduan seperti cahaya landasan pacu untuk membantu menavigasi koridor yang tidak dikenal, menunjukkan rintangan di sepanjang jalan."


Memulihkan penglihatan dengan sel induk

Degenerasi makula terkait usia (AMRD) dapat diobati dengan transplantasi fotoreseptor yang dihasilkan oleh diferensiasi terarah sel punca, berkat temuan yang dipublikasikan hari ini oleh Profesor Gilbert Bernier dari Universitas Montreal dan Rumah Sakit Maisonneuve-Rosemont yang berafiliasi dengannya. ARMD adalah masalah mata umum yang disebabkan oleh hilangnya sel kerucut. Tim Bernier telah mengembangkan teknik in vitro yang sangat efektif untuk memproduksi sel retina peka cahaya dari sel induk embrionik manusia. "Metode kami memiliki kapasitas untuk membedakan 80% sel punca menjadi sel kerucut murni," Profesor Gilbert menjelaskan. "Dalam waktu 45 hari, kerucut yang kami biarkan tumbuh menuju pertemuan secara spontan membentuk jaringan retina terorganisir setebal 150 mikron. Ini belum pernah dicapai sebelumnya."

Untuk memverifikasi tekniknya, Bernier menyuntikkan kelompok sel retina ke mata tikus yang sehat. Fotoreseptor yang ditransplantasikan bermigrasi secara alami di dalam retina inangnya. "Transplantasi kerucut merupakan solusi terapeutik untuk patologi retina yang disebabkan oleh degenerasi sel fotoreseptor," jelas Bernier. "Sampai saat ini, sulit untuk mendapatkan kerucut manusia dalam jumlah besar." Penemuannya menawarkan cara untuk mengatasi masalah ini, menawarkan harapan bahwa pengobatan dapat dikembangkan untuk penyakit degeneratif yang saat ini tidak dapat disembuhkan, seperti penyakit Stargardt dan ARMD. "Para peneliti telah berusaha untuk mencapai percobaan semacam ini selama bertahun-tahun," katanya. "Berkat pendekatan kami yang sederhana dan efektif, laboratorium mana pun di dunia sekarang dapat membuat massa fotoreseptor. Bahkan jika ada jalan panjang sebelum meluncurkan uji klinis, ini berarti, secara teori, pada akhirnya akan dapat merawat pasien yang tak terhitung jumlahnya."

Temuan ini sangat signifikan mengingat peningkatan harapan hidup dan peningkatan terkait dalam kasus ARMD. ARMD sebenarnya penyebab terbesar kebutaan di antara orang-orang di atas usia 50 dan mempengaruhi jutaan orang di seluruh dunia. Dan seiring bertambahnya usia, semakin sulit untuk dihindari -- di antara orang yang berusia di atas 80 tahun, penuaan retina yang dipercepat ini mempengaruhi hampir satu dari empat. Orang dengan ARMD secara bertahap kehilangan persepsi warna dan detail hingga mereka tidak bisa lagi membaca, menulis, menonton televisi, atau bahkan mengenali wajah.

ARMD disebabkan oleh degenerasi makula, yang merupakan bagian tengah retina yang memungkinkan sebagian besar penglihatan. Degenerasi ini disebabkan oleh penghancuran kerucut dan sel-sel di epitel pigmen retina (RPE), jaringan yang bertanggung jawab untuk perbaikan sel-sel visual di retina dan untuk menghilangkan sel-sel yang terlalu usang. Namun, hanya ada begitu banyak perbaikan yang dapat dilakukan karena kita dilahirkan dengan jumlah kerucut yang tetap. Oleh karena itu, mereka tidak dapat secara alami diganti. Selain itu, seiring bertambahnya usia, pemeliharaan RPE semakin tidak efektif -- limbah menumpuk, membentuk endapan. "Membedakan sel RPE cukup mudah. ​​Tetapi untuk melakukan terapi lengkap, kita membutuhkan jaringan saraf yang menghubungkan semua sel RPE dengan sel kerucut. Itu jauh lebih kompleks untuk dikembangkan," jelas Bernier, dengan catatan bahwa dia percaya tim penelitinya terserah tantangan.

Bernier telah tertarik pada gen yang mengkode dan memungkinkan induksi retina selama perkembangan embrio sejak menyelesaikan PhD-nya di Biologi Molekuler pada tahun 1997. "Selama pasca-doktoral saya di Institut Max-Planck di Jerman, saya mengembangkan gagasan bahwa ada adalah molekul alami yang harus ada dan mampu memaksa sel punca embrionik menjadi kerucut," katanya. Memang, analisis bioinformatika membawanya untuk memprediksi keberadaan protein misterius: COCO, molekul manusia "rekombinasi" yang biasanya diekspresikan dalam fotoreseptor selama perkembangannya.

Pada tahun 2001, ia meluncurkan laboratoriumnya di Rumah Sakit Maisonneuve-Rosemont dan segera mengisolasi molekul tersebut. Tapi butuh beberapa tahun penelitian untuk mengungkap jalur molekuler yang terlibat dalam mekanisme pengembangan fotoreseptor. Penelitian terbarunya menunjukkan bahwa untuk membuat kerucut, COCO dapat secara sistematis memblokir semua jalur pensinyalan yang mengarah ke diferensiasi sel retina lainnya di mata. Dengan mengungkap proses molekuler inilah Bernier mampu menghasilkan fotoreseptor. Lebih khusus, ia telah menghasilkan S-kerucut, yang merupakan prototipe fotoreseptor yang ditemukan pada organisme paling primitif.

Di luar aplikasi klinis, temuan Profesor Bernier dapat memungkinkan pemodelan penyakit degeneratif retina manusia melalui penggunaan sel induk berpotensi majemuk yang diinduksi, menawarkan kemungkinan pengujian langsung jalan potensial untuk terapi pada jaringan pasien sendiri.


Tonton videonya: Penyebab ablasio retina dari floater lattice vitrektomi silicon oil. mengapa retina saya lepas (Februari 2023).