El ojo biónico Argus II de Seconsight es la primera prótesis de retina del mundo que reproduce algunas funciones de una parte del ojo esencial para la visión y permitir a los usuarios percibir el movimiento y las formas. Eso es solo el comienzo. Los investigadores buscan mejoras futuras en la tecnología conocida como Computer Model o Modelo Informático.
Si bien el campo de las prótesis de retina aún está en su infancia, para cientos de usuarios en todo el mundo, el «ojo biónico» enriquece la forma en que interactúan con el mundo a diario. Por ejemplo, ver los contornos de los objetos les permite moverse por entornos desconocidos con mayor seguridad. Hay millones de personas que enfrentan la pérdida de la vista debido a enfermedades oculares degenerativas. Solo el trastorno genético retinitis pigmentosa afecta a 1 de cada 4.000 personas en todo el mundo. Investigadores de la Facultad de Medicina Keck de la USC desarrollan señales que podrían aportar una visión del color y una mayor claridad a las prótesis para ciegos.
«Nuestro objetivo ahora es desarrollar sistemas que realmente imiten la complejidad de la retina», dijo Gianluca Lazzi , PhD, MBA, profesor titular de Oftalmología e Ingeniería Eléctrica en la Escuela de Medicina Keck de la USC y la Escuela de Ingeniería de la USC Viterbi .
Estos investigadores de la USC progresaron en la materia con un par de estudios recientes que utilizaron un modelo informático avanzado de lo que sucede en la retina. Su modelo validado experimentalmente reproduce las formas y posiciones de millones de células nerviosas en el ojo, así como las propiedades físicas y de redes asociadas con ellas.
«Cosas que ni siquiera podíamos ver antes, ahora podemos modelar», dijo Lazzi, quien también es profesor Fred H. Cole en Ingeniería y director del Instituto de Tecnología y Sistemas Médicos de la USC . «Podemos imitar el comportamiento de los sistemas neuronales, por lo que realmente podemos entender por qué el sistema neuronal hace lo que hace».
Centrándose en modelos de células nerviosas que transmiten información visual del ojo al cerebro, los investigadores identificaron formas de aumentar potencialmente la claridad y otorgar visión de color a los futuros dispositivos protésicos de retina.
El ojo biónico y el humano
Para comprender cómo el modelo de computadora podría mejorar el ojo biónico, es útil saber un poco sobre cómo ocurre la visión y cómo funciona la prótesis.
Cuando la luz entra en el ojo sano, el cristalino la enfoca en la retina, en la parte posterior del ojo. Las células llamadas fotorreceptores traducen la luz en impulsos eléctricos que son procesados por otras células de la retina. Después del procesamiento, las señales pasan a las células ganglionares, que envían información de la retina al cerebro a través de largas colas, llamadas axones, que se agrupan para formar el nervio óptico.
Los fotorreceptores y las células procesadoras mueren en las enfermedades oculares degenerativas. Las células ganglionares de la retina suelen permanecer funcionales durante más tiempo; el Argus II envía señales directamente a esas células.
“En estas condiciones desafortunadas, ya no hay un buen conjunto de entradas a la célula ganglionar”, dijo Lazzi. «Como ingenieros, preguntamos cómo podemos proporcionar esa entrada eléctrica».
Para corregirlo, un paciente recibe un pequeño implante ocular con una serie de electrodos. Esos electrodos se activan de forma remota cuando se transmite una señal desde un par de anteojos especiales que tienen una cámara. Los patrones de luz detectados por la cámara determinan qué células ganglionares de la retina son activadas por los electrodos, enviando una señal al cerebro que da como resultado la percepción de una imagen en blanco y negro que comprende 60 puntos.
El modelo informático ofrece nuevos avances para la visión biónica
Bajo ciertas condiciones, un electrodo en el implante estimulará incidentalmente los axones de las células vecinas a su objetivo. Para el usuario del ojo biónico, esta estimulación de axones fuera del objetivo da como resultado la percepción de una forma alargada en lugar de un punto. En un estudio publicado en IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering, Lazzi y sus colegas implementaron el modelo informático para abordar este problema.
«Quieres activar esta célula, pero no el axón vecino», dijo Lazzi. «Así que intentamos diseñar una forma de onda de estimulación eléctrica que se dirija con mayor precisión a la célula».
Los investigadores utilizaron modelos para dos subtipos de células ganglionares de la retina, tanto a nivel de una sola célula como en grandes redes. Identificaron un patrón de pulsos cortos que se dirige preferentemente a los cuerpos celulares, con menos activación de axones fuera del objetivo.
Otro estudio reciente en la revista Scientific Reports aplicó el mismo sistema de modelado por computadora a los mismos dos subtipos de células para investigar cómo codificar el color.
Esta investigación se basa en investigaciones anteriores que muestran que las personas que utilizan el Argus II perciben variaciones de color con cambios en la frecuencia de la señal eléctrica, la cantidad de veces que la señal se repite durante un período determinado. Usando el modelo, Lazzi y sus colegas desarrollaron una estrategia para ajustar la frecuencia de la señal para crear la percepción del color azul.
Más allá de la posibilidad de añadir visión de color al ojo biónico, la codificación con tonalidades podría combinarse con la inteligencia artificial en futuros avances basados en el sistema, de forma que destaquen elementos especialmente importantes del entorno de una persona, como rostros o puertas de entrada.
“Hay un camino largo, pero estamos caminando en la dirección correcta”, dijo Lazzi. «Podemos regalar inteligencia a estas prótesis, y con el conocimiento llega el poder».
Sobre los estudios
Ambos estudios fueron realizados por el mismo equipo de investigación de la USC. El primer autor de ambos es Javad Paknahad, un estudiante de posgrado en ingeniería eléctrica. Otros autores son Kyle Loizos y el Dr. Mark Humayun, co-inventor de la prótesis de retina Argus II.
El estudio Scientific Reports fue apoyado por la National Science Foundation (1833288), los Institutos Nacionales de Salud (R21EY028744, U01EB025830) y la Investigación para Prevenir la Ceguera.
Fuente: Keck School of Medicina of USC
