¿Cuáles son los avances en la prótesis visual, a menudo denominada ojo biónico? Educación te da un futuro mejor

OK, no estoy seguro de cómo esto llegó a las preguntas de recursos humanos que normalmente respondo, pero lo intentaré.

Una vez que el tema del folklore y la ciencia ficción, la noción de restaurar la visión a los ciegos se está acercando a una realidad manejable. Los avances tecnológicos han inspirado a numerosos grupos multidisciplinarios en todo el mundo a desarrollar dispositivos neuroprotésicos visuales que podrían proporcionar una visión útil y mejorar la calidad de vida de las personas profundamente ciegas. Mientras se persigue una variedad de enfoques y diseños, todos comparten un principio común de crear percepciones visuales a través de la estimulación de elementos neuronales visuales utilizando patrones apropiados de estimulación eléctrica. Los ensayos clínicos en humanos ya están en marcha y los resultados iniciales se han encontrado con un equilibrio de entusiasmo y optimismo cauteloso. A medida que los desafíos técnicos y quirúrgicos restantes continúan resolviéndose y los ensayos clínicos avanzan, ahora entramos en una fase de desarrollo que requiere una cuidadosa consideración de un nuevo conjunto de problemas. El establecimiento de criterios de selección de pacientes apropiados, métodos para evaluar el rendimiento y la efectividad a largo plazo, y las estrategias para rehabilitar a los pacientes implantados deberán considerarse para lograr resultados óptimos y establecer estos dispositivos como opciones terapéuticas viables.
Nuestra fascinación por construir un humano biónico refleja los avances tecnológicos que caracterizan ubicuamente la era moderna. Hoy, esta idea se ha convertido menos en un tema de ciencia ficción y más en la búsqueda de una intensa investigación científica. Los avances en los ámbitos de la microfabricación, la microelectrónica, la ciencia de los materiales, la tecnología inalámbrica y el poder de procesamiento informático de alta velocidad han permitido el desarrollo de dispositivos neuroprotésicos diseñados para ayudar a las personas que viven con pérdida sensorial y / o discapacidad motriz. La premisa básica que subyace a todos los enfoques neuroprotésicos es que la administración dirigida y controlada de estimulación eléctrica a los nervios o músculos puede potencialmente restaurar (hasta cierto punto) la función fisiológica de un órgano o miembro dañado (Marbach et al., 1982). El éxito de los implantes cocleares, desarrollados hace más de 30 años, sirve como un ejemplo bien conocido. Este dispositivo neuroprotésico ha ayudado a miles de personas profundamente sordas a recuperar la audición y desarrollar la comunicación oral (Jones et al., 2008; Loeb, 1990). Del mismo modo, las extremidades artificiales sofisticadas han llevado a una mejor movilidad de la marcha e incluso a las habilidades de agarre para los amputados (Allin et al., 2010; Craelius, 2002; Laferrier y Gailey, 2010). El desarrollo continuo de las interfaces cerebro-máquina (IMC) también proporciona una esperanza emocionante para los pacientes paralíticos. Al registrar señales neuronales del cerebro que codifican el movimiento, estas señales pueden convertirse y usarse para controlar dispositivos externos como una prótesis robótica de extremidades (Donoghue, 2002; Hochberg et al., 2006; Nicolelis, 2003). El progreso rápido en todos estos ámbitos continúa y, en muchos sentidos, sirve de inspiración para el desarrollo de una neuroprótesis visual para ciegos. Hoy en día, se están desarrollando varios diseños y enfoques de dispositivos y se están realizando ensayos clínicos en humanos (para revisiones extensas ver: (Chader et al., 2009; Dagnelie, 2006; Dowling, 2005; Humayun, 2007; Javaheri et al., 2006; Merabet et al., 2005)).
Según la Organización Mundial de la Salud, hay 314 millones de personas con discapacidad visual en todo el mundo (hoja informativa de la OMS de 2009; discapacidad visual y ceguera). Si bien es un número asombrosamente grande, vale la pena señalar que solo una minoría de individuos (aproximadamente 45 millones) en realidad se consideran profundamente ciegos (definidos como la agudeza visual mejor corregida peor que la agudeza de Snellen 20/400) y tienen algún grado de residual función visual Además, existe una realidad trágica. La mayor parte de estas personas viven en países en desarrollo y la mayoría de las principales causas de ceguera son evitables y / o tratables (por ejemplo, cirugía para cataratas o tratamiento antibiótico para el tracoma). Por lo tanto, la restauración de la visión funcional a través de una prótesis visual probablemente se centrará solo en un segmento restringido de la población ciega. Además, es importante darse cuenta de que no todas las personas y todas las formas de discapacidad visual podrían beneficiarse de una neuroprótesis visual. Tal como se concibe actualmente, los dispositivos protésicos visuales se han diseñado para personas con pérdida de visión profunda y que han tenido un desarrollo visual normal (a diferencia de las causas congénitas de ceguera). Además, como estos dispositivos están diseñados para interactuar con el tejido neuronal viable, el sitio del daño y la naturaleza de la patología determinarán en gran medida si un dispositivo protésico se puede implementar de manera factible. Por ejemplo, en condiciones en las que la integridad funcional y estructural general de la retina se ve comprometida (por ejemplo, trauma, glaucoma o complicaciones retinianas relacionadas con la diabetes), una prótesis visual basada en la retina es poco probable que sea efectiva para restaurar la función visual (ver discusión en varios enfoques de prótesis visuales). A pesar de estas limitaciones, también es importante destacar los avances realizados en otras áreas de la investigación biomédica, como la terapia génica y el trasplante de células. Con el tiempo, estos enfoques basados en moléculas pueden proporcionar nuevos tratamientos y ayudar a detener la progresión de la pérdida de visión, particularmente con respecto a las causas hereditarias de ceguera (Acland et al., 2001; MacLaren et al., 2006). Al mismo tiempo, las personas ciegas continuarán beneficiándose del uso de dispositivos de sustitución sensorial (también discutido en esta edición). Estos dispositivos están especialmente diseñados para aprovechar la información sensorial obtenida de los sentidos intactos (por ejemplo, el oído y el tacto) para sustituir la visión. Esto permite que un usuario ciego interactúe con su entorno (Bach-y-Rita, 2004; Bach-y-Rita y Kercel, 2003). Por lo tanto, la rehabilitación futura de personas con discapacidad visual probablemente continuará abarcando enfoques multidisciplinarios e incluirá terapias basadas en moléculas diseñadas para detener la progresión de la pérdida de visión, el uso de dispositivos de sustitución sensorial y potencialmente restaurar un cierto nivel de visión funcional. mediante el uso de dispositivos neuroprotésicos visuales. Aquí, destacaremos los avances y discutiremos las perspectivas futuras relacionadas con el desarrollo de la neuroprótesis visual.
En términos generales, la premisa operativa subyacente a una neuroprótesis visual es reemplazar artificialmente la función de los elementos neuronales dañados que conforman la vía visual (figura 1). Por lo general, la estimulación microeléctrica modelada se administra a través de una serie de pequeños microelectrodos para provocar la percepción de patrones organizados de luz (sin embargo, vea también el desarrollo de canales microfluídicos con restricción geométrica y submilimétrica para entregar la liberación dirigida y controlada de neurotransmisores, ( Peterman et al., 2004)). La estimulación eléctrica de estos elementos neuronales visuales supervivientes evoca la sensación subjetiva de puntos discretos de luz (denominados “fosfenos”; (Gothe et al., 2002; Marg y Rudiak, 1994)). En principio, al proporcionar patrones apropiados de estimulación eléctrica en múltiples sitios (es decir, caracterizar la forma del objetivo visual deseado y reflejar la organización retinotópica de la estructura neural), se pueden generar percepciones visuales geométricas. Esto permite la percepción de imágenes visuales (muy similar a ver un marcador electrónico del estadio o las imágenes generadas por una impresora de inyección de tinta). El patrón de estimulación eléctrica administrada se determina analizando una imagen capturada por una cámara digital o en respuesta a las imágenes capturadas por la óptica del ojo mismo. Con respecto a la percepción visual, este enfoque de “marcador” ciertamente representa una gran simplificación excesiva. Está claro que muchos atributos caracterizan una escena visual como el color, el movimiento y la forma. Sin embargo, como se concibe actualmente, las prótesis visuales están diseñadas para abordar solo uno de los componentes más básicos de la visión, es decir, los detalles espaciales.
Entre los mayores desafíos de la visión protésica se encuentra el rompecabezas del código neural para la percepción. La complejidad del código neural sugiere que los dispositivos protésicos deberían basarse en circuitos neuronales intactos siempre que sea posible para aprovechar cualquier procesamiento sensorial intacto disponible (Dagnelie y Schuchard, 2007). Por lo tanto, la reducción de la complejidad de la codificación neural necesaria podría lograrse implantando el dispositivo protésico en el punto más temprano a lo largo de la vía visual que conserva la integridad funcional. Siguiendo esta premisa, la retina representaría el primer sitio de potencial interfaz neuronal.
La retinitis pigmentosa (RP) y la degeneración macular relacionada con la edad (AMD) son dos trastornos de la retina que contribuyen en gran medida a la incidencia de ceguera y ceguera hereditarias en los ancianos, respectivamente (Bunker et al., 1984; Klein et al., 1997). La pérdida de visión profunda se debe en gran parte a la degeneración progresiva del componente de captura de luz del segmento externo de la retina, es decir, las células fotorreceptoras. Sin embargo, los elementos retinianos restantes dentro de las capas retinianas internas (por ejemplo, las células bipolares y ganglionares que convergen para formar el nervio óptico) parecen sobrevivir en grandes cantidades. Además, estos elementos siguen respondiendo a la simulación eléctrica incluso en etapas muy avanzadas de la enfermedad (Humayun et al., 1996). En esencia, una prótesis visual basada en la retina reemplazaría la función de las células fotorreceptoras degeneradas al estimular la maquinaria neuronal retiniana sobreviviente. Un conjunto de experimentos humanos fundamentales demostró que la estimulación eléctrica de la retina de pacientes con RP (Humayun et al., 1996; Rizzo et al., 2003b), así como un paciente con AMD (Humayun et al., 1999) condujeron a la generación de fosfenos a pesar del hecho de que los pacientes fueron profundamente ciegos durante muchos años. Los experimentos duraron de minutos a horas mientras los pacientes permanecían despiertos para describir sus experiencias visuales. Después de la estimulación eléctrica, los pacientes informaron percepciones visuales con patrones que inicialmente eran relativamente crudas. Sin embargo, la estructura geométrica general de los patrones de fosfeno podría alterarse de manera controlada variando la posición y el número de electrodos estimulantes y la fuerza o duración de la corriente suministrada (Humayun et al., 1996; Rizzo et al., 2003a b) Esta demostración de prueba de principio ha llevado a muchos grupos de todo el mundo a buscar el desarrollo de una variedad de diseños y enfoques basados en la retina. Actualmente, podría decirse que el enfoque basado en la retina recibe la mayor atención como lo demuestra el tamaño y el número de ensayos clínicos en curso en humanos.
Se están siguiendo dos enfoques basados en la retina que se diferencian en gran medida por su ubicación de implantación con respecto a la retina. En el abordaje subretiniano, el implante se coloca en la región de fotorreceptores degenerados creando una bolsa entre la retina sensorial y la capa de epitelio pigmentario de la retina (RPE). En el abordaje epirretiniano, el dispositivo de implante se une a la superficie interna de la retina, cerca del lado de la célula ganglionar (figura 1A).
El proyecto de implante de retina de Boston está llevando a cabo el diseño de la neuroprótesis visual subrretiniana (un gran esfuerzo conjunto de colaboración que incluye la Enfermería de Ojos y Oídos de Massachusetts y la Escuela de Medicina de Harvard, el Instituto de Tecnología de Massachusetts, el Sistema de Salud de Asuntos de Veteranos de Boston y otras instituciones asociadas) (ver figura 2) (Shire et al., 2009). En virtud de colocarse en yuxtaposición a la capa más cercana de neuronas supervivientes (es decir, células bipolares), el abordaje subretiniano proporciona una mayor estabilidad mecánica inherente. Esto se debe al hecho de que la matriz de electrodos ultradelgados está efectivamente “emparedada” entre el segmento interno de la retina y la capa de RPE. Además, este enfoque tiene la ventaja teórica de no solo estar más cerca de los elementos neuronales supervivientes (lo que potencialmente requiere menores cantidades de corriente de estimulación eléctrica) sino también de explotar el preprocesamiento de la señal retiniana inherente a la capa de células bipolares. La colocación de un dispositivo subretiniano requiere métodos quirúrgicos complejos y complejos. Para el dispositivo de implante retiniano de Boston, esto incluye insertar una matriz de microelectrodos ultradelgados y flexibles a través de una incisión realizada en la pared escleral externa del globo ocular. Este enfoque quirúrgico se utiliza para que el dispositivo resida dentro del espacio sub-retiniano creado (denominado “abordaje ab externo” en lugar de “ab interno”; donde uno pasa a través del humor vítreo del ojo e inserta el dispositivo a través de una incisión hecha directamente en la retina, ver (Javaheri et al., 2006)). Otra característica de esta configuración es que deja la mayor parte del hardware electrónico fuera del ojo, evitando complicaciones relacionadas con la generación de calor y la corrosión, y facilita el intercambio de componentes electrónicos según sea necesario. Para su funcionamiento, se utiliza una cámara en miniatura montada en un par de anteojos para la captura de imágenes. Luego, estas imágenes son analizadas por un microprocesador portátil externo usado para convertir los datos de la imagen en una señal electrónica. Los pulsos de señal apropiados (entrega de datos y potencia) se transfieren al implante de forma inalámbrica a través de bobinas de radiofrecuencia (RF). La señal resultante se transmite a la matriz de microelectrodos subretinianos que conduce los elementos neurales retinianos sobrevivientes (es decir, células bipolares y ganglionares) con la estimulación eléctrica con el patrón apropiado. Es aquí donde comienza el procesamiento de la señal y se integra aún más a medida que pasa por el nervio óptico hacia la corteza visual para la percepción final de la imagen visual. Todas las partes electrónicas están herméticamente selladas en una caja de titanio conectada a un circuito flexible externo y al conjunto microelectrónico (Kelly et al., 2009). Hasta la fecha, el grupo ha logrado desarrollar un prototipo de prótesis de retina inalámbrica como el primer paso hacia un implante de prótesis subretiniana humana. Los estudios iniciales en modelos animales han tenido éxito al implantar versiones activas del dispositivo y refinar las técnicas quirúrgicas y el diseño mecánico (Kelly et al., 2009). Se están planificando ensayos clínicos en humanos.

(Robado palabra por palabra de:

Construyendo el ojo biónico: una realidad emergente y una oportunidad

Lotfi B. Merabet

Espero que esto ayude. ¡Buena suerte!