Одним из наиболее перспективных направлений в наномедицине и наноинженерии является интеграция электрических имплантатов с нервной системой для лечения слепоты или создания искусственного глаза. Принципиальная схема искусственного глаза такова: (см. схему 1)

Фотодетектор преобразует свет в электрический сигнал. Преобразователь кодирует полученный электрический сигнал в такую последовательность импульсов, которая может быть воспринята нейронами и передана далее в нервные центры. Электроды стимулируют нейроны, вызывая потенциалы действия и дальнейшую передачу информации в нервные центры. Существующие образцы искусственного глаза достаточно громоздки, поэтому в настоящее время ведутся интенсивные разработки с целью миниатюризации этого устройства с использованием нанотехнологий. (Схема 1.)

Каково строение сетчатки глаза человека? (2 балла). Из каких клеток состоит сетчатка, и каким образом они располагаются? (2 балла). Где могут располагаться стимулирующие электроды искусственного глаза, и с какими клетками они могут контактировать? (2 балла). Какие клетки сетчатки повреждаются в первую очередь при пигментной дистрофии, макулодистрофии или тапето-ретинальной дистрофии сетчатки глаза? (1 балл).

В первую очередь повреждаются колбочки и палочки, т.к. они как светочувствительные рецепторы со сложным строением наиболее чувствительны к повреждениям.

В какие еще ткани, органы или части органов человека можно имплантировать стимулирующие электроды с целью обеспечения зрительного восприятия? (по 1 баллу за каждую область имплантации).

Помимо сетчатки глаза (субретинальная и эпиретинальная имплантация) электроды можно имплантировать в зрительный нерв и зрительную кору головного мозга. Электроды можно также имплантировать в другие органы, богатые нервными окончаниями, например, язык.

Возможно ли функционирование искусственного глаза хотя бы в минимальной степени, в случае: а) повреждения зрительного нерва (1 балл), б) полном отсутствии глаза (1 балл), в) повреждении зрительной коры мозга? (1 балл). Обоснуйте свой ответ.

а) возможно только в случае имплантации электродов в зрительную кору головного мозга или в другие органы, например, язык; б) возможно только в случае имплантации электродов в зрительный нерв, зрительную кору головного мозга или в другие органы, например, язык; в) возможно только в случае имплантации электродов в другие органы, например, язык.

Какие наноматериалы могут применяться для изготовления стимулирующих электродов? Каковы их возможные преимущества и недостатки? (2 балла).

Электроды нанометровых размеров из золота, хлорида серебра, платины и оксида иридия, электроды на основе углеродных нанотрубок и кремниевых нанонитей. Благодаря стимулирующим электродам нанометровых размеров можно значительно увеличить разрешающую способность искусственного глаза, в т.ч. благодаря индивидуальной стимуляции нейронов и клеток сетчатки.

Как Вы думаете, какова разрешающая способность существующих в настоящее время образцов искусственного глаза? (1 балл). Какова теоретически достижимая разрешающая способность искусственного глаза (созданного по описанной выше схеме)? (3 балла).

От 16 до 500 точек по количеству стимулирующих электродов. Теоретически достижимая разрешающая способность искусственного глаза - 1200000 точек (пикселей), т.к. в зрительном нерве содержится примерно 1.2 млн нейронов.

Какие проблемы могут возникнуть при эксплуатации искусственного глаза? (2 балла). Каковы возможные ограничения и преимущества искусственного глаза (созданного по описанной выше схеме) по сравнению с глазом человека? (2 балла).

Творческий вопрос. Проблемы, связанные с низким разрешением существующих моделей искусственного глаза. Могут возникнуть проблемы, связанные с развитием воспалительных и аллергических реакций при имплантации чипов и электродов. В случае размещения фотодетекторов за пределами глаза (например, как у всех практически реализованных эпиретинальных моделей) теряется возможность микроперемещений взгляда по изображению, что непрерывно делает здоровый глаз. В итоге изображение всегда зафиксировано в мозгу пациента и его нельзя “выключить”, закрыв глаза. Проблемы, связанные с восприятием движущихся объектов. Невозможность восприятия цвета.

Преимущества: полный обзор, приближение/удаление изображения при использовании камер с "зумом", видение в ультрафиолетовом или инфракрасном свете и т.п.