O objetivo de próteses de retina é restaurar a visão de pacientes com uma condição degenerativa chamada retinose pigmentosa, que afeta uma em 3.500 pessoas. Nessa condição, as células fotossensíveis da retina - os cones e bastonetes - tornam-se inativas e, finalmente, morrem. Os sintomas começam com cegueira noturna e piora da visão do túnel, terminando com a perda total da visão.
Em 1992, uma pesquisa mostrou que as células de comunicação do olho- conhecidas como células ganglionares da retina - permanecem intactas em pacientes com retinite pigmentosa. A descoberta abriu a perspectiva de restabelecer algum tipo de função visual para essas pessoas, controlando os padrões das células de comunicação.
Nas últimas duas décadas desde que a pesquisa foi publicada, centenas de milhões de libras foram investidas em pesquisas de próteses de retina. Infelizmente, em contraste com o desenvolvimento de implantes cocleares - que restauram a audição dos surdos - o progresso tem sido lento. A prótese de maior resolução até aqui foi criada pela empresa Retina Implant localizada em Tübingen, na Alemanha, cujos 1.500 eletrodos do implante permitiram a um de seus pacientes, Mika, distinguir grandes caracteres em branco sobre fundo preto.
Um dos principais desafios tem sido a arquitetura fundamental do nosso sistema visual. O olho não é simplesmente uma câmera, mas a primeira fase de um sistema de compreensão do mundo que nos rodeia. Há cerca de 50 diferentes tipos de processamento neuronal na retina, e mais de 20 tipos de células ganglionares da retina. Assim, o córtex visual do cérebro espera receber o mundo visual codificado em uma "canção neural" de muitas vozes diferentes. Codificação precisa é necessária para reproduzir essa música, difícil de alcançar com eletrodos implantados e o resultado é que o paciente vê fosfenos - intermitentes pontos de luz - em vez de o que normalmente definimos como visão.
A Optogenética, uma técnica de terapia gênica nova, tem o potencial de vencer muitos destes problemas e no ano passado foi saudada como Método do Ano pela revista Nature. Inventada por Ernst Bamberg e seus colegas do Instituto Max Planck, em Frankfurt há oito anos, a técnica usa terapia gênica para sensibilizar as células nervosas para determinadas cores da luz. Pulsos intensos nestes comprimento de onda faz disparar as células nervosas fotossensibilizadas. (Neurologistas chamam cada disparo de nervo de um "potencial de ação." - A moeda de informação no sistema nervoso)
Assim, nas próteses optogenéticas de retina, ao invés de executar-se uma cirurgia de alta complexidade para implantação de eletrodos na retina de um paciente, uma solução de um vírus especial pode simplesmente ser injetada para introduzir novos genes nas células nervosas. O paciente, então, usa um fone de ouvido que registra e interpreta a cena visual e envia pulsos codificados de luz para a retina. Como um só pulso de luz pode gerar um potencial de ação único, a informação codificada da cena visual pode estar muito mais em sintonia com a música neural esperada pelo córtex visual.
O projeto europeu OptoNeuro conduzido na Universidade de Newcastle está pesquisando esta nova abordagem, e testes em humanossão esperados para o meio desta década.
A primeira prótese optogenética de retina não vai permitir uma visão perfeita, então uniram-se o desenho baseado em Londres à prática Superflux para explorar como a interação do usuário com essa nova tecnologia pode ser mais prática e significativa nos próximos anos. O principal objectivo é aumentar ao máximo a visão restaurada útil para o paciente ao mesmo tempo, explorando as possibilidades únicas desta nova e melhorada - forma de visão - mesmo reforçada.
Em seu vídeo-conceito Song of the Machine (O Som da Máquina), Anab Jain, Jon Ardern e Justin Pickard exploram as complexidades pessoais e emocionais que poderão surgir, uma vez que esta ciência saia do laboratório e começe a afetar a vida diária. O título é derivado da idéia de que em próteses optogenéticas de retina o próprio corpo é modificado para fazer a conexão com a máquina, a fim de ouvir a música neural.
Mesmo se a resolução for baixa, a prótese poderia permitir aos usuários viver o mundo visual em comprimentos de onda além daqueles perceptíveis para os seres humanos com visão normal. Por exemplo, o olho absorve a luz ultravioleta antes de atingir a retina, e a natureza tem dificuldade para fazer receptores de luz infravermelha . Essas restrições não se aplicam à tecnologia das câmeras modernas.
Essa "imagem multi-espectral" poderia ser utilizada para fins puramente pragmáticos, como dizer numa olhada se um objeto está quente demais para ser tocado. Alternativamente, poder-se-ia criar uma poesia visual, permitindo-nos experimentar uma flor em toda a sua glória ultravioleta - como visto por abelhas.
Explorando essas possibilidades em nossa pesquisa, poderá ser possível melhorar a experiência dos pacientes que irão finalmente receber essas próteses, permitindo-lhes apreciar alguns dos benefícios do novo campo da realidade aumentada.
O dr. Patrick Degenaar Optogenetics é um pesquisador da Universidade de Newcastle, onde lidera o projeto OptoNeuro.
The purpose of retinal prosthetics is to restore sight to patients who have a degenerative condition called retinitis pigmentosa, which affects one in 3,500 people. In the condition, the retina's light-sensing cells – rods and cones – become inactive and eventually die. Symptoms start with night blindness and worsening tunnel vision, but eventually there is a total loss of sight.
In 1992, research showed that the eye's communication cells – known as retinal ganglion cells – remain intact in patients with retinitis pigmentosa. The discovery opened up the prospect of restoring some form of visual function to these people by controlling the cells' communication patterns.
In the past two decades since the research was published, hundreds of millions of pounds have been invested in retinal prosthesis research. Unfortunately, in contrast to the development of cochlear implants – which restore hearing to the deaf – progress has been slow. The highest resolution prosthesis to date was created by the Retina Implant company based in Tübingen, Germany, whose 1,500-electrode implant has allowed one of their patients, Mika, to distinguish large white characters on a black background.
One of the key challenges has been the fundamental architecture of our visual system. The eye is not simply a camera, but the first stage in a system for understanding the world around us. There are around 50 different types of processing neuron in the retina, and more than 20 types of retinal ganglion cell. So the visual cortex of the brain expects to receive the visual world encoded in a "neural song" of many different voices. Precise coding to reproduce this song is hard to achieve with implanted electrodes and the result is that the patient sees phosphenes – flashing dots of light – rather than what we would normally define as sight.
Optogenetics, an exciting new gene therapy technique, has the potential to bypass many of these problems and last year was hailed as Method of the Year by the journal Nature. Invented by Ernst Bamberg and his colleagues at the Max Planck Institute in Frankfurt eight years ago, the technique uses gene therapy to sensitise nerve cells to particular colours of light. Intense pulses of this wavelength of light make the photosensitised nerve cells fire. (Neurologists call each firing of a nerve an "action potential" – the currency of information in the nervous system.)
So in optogenetic retinal prosthetics, rather than performing highly complex surgery to implant electrodes into a patient's retina, a solution of a special virus would simply be injected to introduce new genes into the nerve cells. The patient would then wear a headset that records and interprets the visual scene and sends coded pulses of light to the retina. As a single pulse of light can generate a single action potential, the information encoded from the visual scene can be much more in tune with the neural song expected by the visual cortex.
The OptoNeuro European project I lead at Newcastle University is researching this new approach, and we hope to start human trials towards the middle of this decade.
The first optogenetic retinal prostheses will not deliver perfect vision, so we have teamed up with the London-based design practice Superflux to explore how the user's interaction with this new technology can be made more practical and meaningful in the coming years. The key objective is to maximise the useful sight restored to the patient while also exploring the unique possibilities of this new, modified – even enhanced – form of vision.
In their concept video Song of the Machine (above), Anab Jain, Jon Ardern and Justin Pickard explore the personal and emotional complexities that might arise once this science leaves the lab and begins to touch our daily lives. The title is derived from the idea that in optogenetic retinal prosthetics the body is itself modified to interface with the machine in order to appreciate the neural song.Even if resolution is low, the prosthesis could allow users to experience the visual world in wavelengths beyond those perceptible to normal-sighted humans. For example the eye absorbs ultraviolet light before it reaches the retina, and nature finds it difficult to make infrared light receptors. Such constraints do not affect modern camera technology.
This "multi-spectral imaging" could be used for purely pragmatic purposes, such as telling at a glance whether an object is too hot to touch. Alternatively, it could create a certain visual poetry by allowing us to experience a flower in all its ultraviolet glory – as seen by honey bees.
By exploring these possibilities in our research, it may be possible to improve the experience of the patients who will eventually wear these prostheses, allowing them to enjoy some of the benefits of the new field of augmented reality.
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