Mi az a retina chip?
Ez alatt általában egy, a szem ideghártyája (vagyis a retina) közvetlen közelébe ültetett mikroelektronikai eszközt értünk, amelynek célja legalább részlegesen visszaadni a megvakult ember látását.

A látás folyamata során a retina külső rétegében, a fotoreceptor sejtekben fény nyelődik el. Erről az információ a retina többi rétegén áthaladva a retina „kimenetén”, a ganglion sejtekben összegződik. Az információ a ganglion sejtek hosszú nyúlványain (az axonokon) keresztül távozik a szemből és jut az agyba a szemidegen keresztül. A retina egyes betegségei, mint például az időskori makuladegeneráció vagy AMD és a Retintis Pigmentosa a külső retina pusztulásához és a fényérzékenység részleges vagy teljes elvesztéséhez vezet. Eközben a retina többi sejtje, így a ganglion sejtek és a szemideg, valamint az agyi központok működőképesek maradnak, de „bemenet” nélkül hiába. A kiesett funkció pótlásához szükséges: 1.) leképezni a külvilágot 2.) az információt eljuttatni az agyig.

Az első lépéshez elég egy egyszerű és könnyű kamera, amit a vak fejére lehet erősíteni. A ma még megoldandó problémát jelentő feladat a megmaradt retina sejtek térbeni ingerlése. Ezt a retina elé, vagy mögé ültetett chip stimuláló elektródjain átfolyó kis árammal érik el. Minél több az ingerlő elektród, annál több a „képpont” és annál kisebb méretű elektródokat kell alkalmazni. A jelenleg „rutinszerűen” használt néhány tucat elektród helyett minimum pár ezerre lenne szükség használható minőségű kép átviteléhez.


Ez a mintegy 2 éve kifejlesztett "Utah Electrode Array" (nevét fejlesztés helyéről, a Utah Egyetemről kapta). 100 elektródját a retina megmaradt sejtjei közé szúrva, elvileg alkalmas lehet a kis térbeli felbontású látás visszaadására olyan embereknek akik korábban már láttak és a retinájukban található ganglion sejtek még működnek.

Az idegi-elektromos interface vagy kapcsolat alapfeltételei, hogy a beültetett anyag ne indítson be immunreakciót (ne próbálja a szervezet kilökni vagy elszigetelni), ne legyen mérgező vagy a szövetet más módon károsító hatású és hatékonyan, megbízhatóan működjön – különben nincs értelme az egésznek. Van egy elvi és - véleményem szerint - egyelőre nem megkerülhető probléma a megmaradt idegsejtek elektromos ingerlésével. Ez pedig az, hogy minél kisebb egy elektród, annál nagyobb az elektromos ellenállása és így annál jobban melegszik a használat közben, amire az idegsejtek nagyon kényesek. Megoldás lehetne az elektródok hűtése, de ez egyrészt nem növelheti jelentősen a méretet (a szemben nincs túl sok „fölösleges hely”), másrészt a hűtőrendszer által elvont/fejlesztett meleget is végső soron el kell vezetni (semelyik szövet sem bír túl nagy hőterhelést), harmadrészt a hűtés nem lehet állandó és nem hűthet túl, különben a sejtek nem lennének képesek akciós potenciál generálására így az információ továbbítására. A hűtés bonyolítaná a chipet és feltehetően leszűkítené az elhelyezésének lehetőségeit a retina mögötti területre, mivel egyedül az érhártyán keresztülfolyó nagy mennyiségű vért tudom elképzelni mint stabil hűtőközeget. Mindazonáltal ilyen hűtött chip-es próbálkozásokról még nem hallottam, így maradnak a viszonylag szerény számú elektródot használó chip-ek, az áram helyett dinamikusan változó elektromos töltést használó, illetve egy forradalmian új, viszont genetikai beavatkozást igénylő módszer amiről a következő post-ban fogok beszámolni.

Hogyan működik tehát egy manapság használt retina chip? Az elv a következő: egy kamera felveszi a külvilág képét, amely képet a retina chip ingerlő elektródjainak megfelelő számú pixelre bontanak, majd meghatározzák e képpontok fényességét (a színek érzékelésére nincs mód). Az adott fényességnek megfelelő elektromos áramimpulzusokat keltenek az ingerlő elektródokkal, amik az elektródok közelében fekvő megmaradt élő idegsejtekben akciós potenciálok sorozatait keltik. Ezek már a szokásos módon haladnak a szemidegen keresztül az agyba, ahol az, mint valami zseniális kódtörő egy idő (néha évek) után rájön, hogyan rakja össze borzasztóan rossz minőségű, de használható képpé e jeleket. Normális esetben az agy már elő-feldolgozott adatokat kap a retinától ami maga is idegszövet és komoly jel-feldolgozást és szortírozást végez. A retina chipek esetében a retina ezen funkciója mindenképp elvész, hiszen a retina megmaradt sejtjeit csak arra használjuk, hogy kommunikáljunk az aggyal és olyan információkat küldjünk amik a látással kapcsolatosak.

Elvben, a látáshoz szükséges információk bevitelére szolgáló chipeket beültethetnénk a látórendszer más pontjaira is. Léteznek is olyan kísérletek amik stimuláló elektródrendszerek (az egyes verziók úgy néznek ki kis nagyítású mikroszkóp alatt mint valami pálcikák, fésűk, vagy platina-sünik - ez utóbbiak olyanok mint a Utah Electrode Array) elsődleges látókéregbe történő beültetését célozzák. Itt több probléma is van, és az egyik elvi szintű, hogy minél „magasabb” ponton csatlakozunk a látórendszerre, annál több jelfeldolgozási szintet ugrunk át ami nagyon megnehezíti az agy dolgát.

A retina chipek között az elhelyezésükön és az elektródok számán, kiképzésén és gyártási módszerén kívül fontos különbség még az is, hogyan jut el a kamera plusz jel-feldogozó rendszertől az információ magukig az elektródokig. A technikailag legegyszerűbb és egyelőre talán legmegbízhatóbb, a közvetlen dróton keresztül küldött jel+áram. Egy ilyen rendszer rajza látható a 2. ábrán. Ennek az egyik hátránya a befertőződés veszélye, hiszen az összekötő vezetéket át kell vezetni a szemen keresztül. Egy alternatív verzió az energiát elektromágneses indukció segítségével küldi be a szembe, hasonlóan a drótnélküli elektromos autótöltő rendszerekhez.

Ettől merőben eltérő módszert használ a fotoelektromos chip, amiben minden ingerlő elektródhoz tartozik egy miniatűr fotódióda amely fényenergiát alakít át közvetlenül elektromossággá. Ezek a „napelemek” nem tudnak elég energiát biztosítani az ingerlő elektródoknak a szokásos fényviszonyok mellett (ha így lenne, nem lenne szükség a kamerára sem), ezért a képi információt és a működéshez szükséges energiát egy miniatűr lézerdiódával viszik be, ami az egyes fotodiódákra a hozzájuk rendelt képpontok fényességével arányos intenzitású fényt küld.

A retina chipeket jelenleg tudtommal csak vakok gyógyítása érdekében használják és fejlesztik. Gyakorlatilag kísérleti stádiumban vannak abban az értelemben, hogy még nincs egy általánosan elismert és kiforrott, az olvasás képességét visszaadni tudó verzió. Csak olyan esetben van értelme retina chip beültetéssel próbálkozni, amikor a beteg korábban látott (a csecsemő kortól kezdve vakoknak ez a módszer nem jó megoldás, mert az agy nem tanult meg látni) és ha a retina ganglion sejtjei valamint a látórendszer többi, agyban található része jórészt sértetlen. Még ezeket a limitáló tényezőket figyelembe véve is milliónyi emberen segíthetnek a jövőben retina-protézisek beültetésével. Ha sikerülne kifejleszteni egy stabilan és jól működő ideg-elektomos vagy ideg-más kapcsolót (interface), az alapvetően előrelendítené a bionikus végtagok mellet a bionikus érzékszervek, így a műszemek/műretinák fejlődését is.

Merre tartunk? A Star Trek című sci-fi sorozatban megjelenő "borg"-ok egyik szeme le van cserélve speciális érzékelőkre. Érdekes kérdés, hogy ha sikerül kifejleszteni a "tökéletes retina chipet" amely normális látásnak megfelelő tér- és időfelbontást tesz lehetővé, nem akarják-e majd lecserélni az emberek a jó szemüket is - például egy infrakamerára?