Le modèle informatique favorise les améliorations potentielles de la technologie de l’«  œil bionique  »

Il y a des millions de personnes qui font face à la perte de leur vue à cause de maladies oculaires dégénératives. La rétinite pigmentaire, une maladie génétique, touche à elle seule 1 personne sur 4 000 dans le monde.

Aujourd’hui, il existe une technologie disponible pour offrir une vue partielle aux personnes atteintes de ce syndrome. L’Argus II, première prothèse rétinienne au monde, reproduit certaines fonctions d’une partie de l’œil essentielle à la vision, pour permettre aux utilisateurs de percevoir les mouvements et les formes.

Alors que le domaine des prothèses rétiniennes en est encore à ses balbutiements, pour des centaines d’utilisateurs à travers le monde, «l’œil bionique» enrichit la manière dont ils interagissent avec le monde au quotidien. Par exemple, voir les contours des objets leur permet de se déplacer dans des environnements inconnus avec une sécurité accrue.

Ce n’est que le début. Les chercheurs recherchent des améliorations futures de la technologie, avec un objectif ambitieux en tête.

«Notre objectif est maintenant de développer des systèmes qui imitent vraiment la complexité de la rétine», a déclaré Gianluca Lazzi, professeur principal d’ophtalmologie et de génie électrique à la Keck School of Medicine de l’USC et à l’USC Viterbi School of Engineering.

Lui et ses collègues de l’USC ont cultivé le progrès avec une paire d’études récentes utilisant un modèle informatique avancé de ce qui se passe dans la rétine. Leur modèle validé expérimentalement reproduit les formes et les positions de millions de cellules nerveuses dans l’œil, ainsi que les propriétés physiques et réseau qui leur sont associées.

«Des choses que nous ne pouvions même pas voir auparavant, nous pouvons maintenant modéliser», a déclaré Lazzi, qui est également professeur Fred H. Cole en ingénierie et directeur de l’USC Institute for Technology and Medical Systems. « Nous pouvons imiter le comportement des systèmes neuronaux, afin de vraiment comprendre pourquoi le système neuronal fait ce qu’il fait. »

En se concentrant sur des modèles de cellules nerveuses qui transmettent des informations visuelles de l’œil au cerveau, les chercheurs ont identifié des moyens d’augmenter potentiellement la clarté et d’accorder une vision des couleurs aux futurs prothèses rétiniennes.

L’œil, bionique et autre

Pour comprendre comment le modèle informatique pourrait améliorer l’œil bionique, il est utile d’en savoir un peu plus sur le fonctionnement de la vision et le fonctionnement de la prothèse.

Lorsque la lumière pénètre dans l’œil sain, la lentille la concentre sur la rétine, à l’arrière de l’œil. Les cellules appelées photorécepteurs traduisent la lumière en impulsions électriques qui sont traitées par d’autres cellules de la rétine. Après le traitement, les signaux sont transmis aux cellules ganglionnaires, qui fournissent des informations de la rétine au cerveau via de longues queues, appelées axones, qui sont regroupées pour constituer le nerf optique.

Les photorécepteurs et les cellules de traitement meurent dans les maladies oculaires dégénératives. Les cellules ganglionnaires rétiniennes restent généralement fonctionnelles plus longtemps; l’Argus II délivre des signaux directement à ces cellules.

« Dans ces conditions malheureuses, il n’y a plus un bon ensemble d’entrées vers la cellule ganglionnaire », a déclaré Lazzi. « En tant qu’ingénieurs, nous nous demandons comment nous pouvons fournir cette entrée électrique. »

Un patient reçoit un petit implant oculaire avec un réseau d’électrodes. Ces électrodes sont activées à distance lorsqu’un signal est transmis à partir d’une paire de lunettes spéciales équipées d’une caméra. Les modèles de lumière détectés par la caméra déterminent quelles cellules ganglionnaires rétiniennes sont activées par les électrodes, envoyant un signal au cerveau qui se traduit par la perception d’une image en noir et blanc comprenant 60 points.

Le modèle informatique courtise de nouvelles avancées

Dans certaines conditions, une électrode de l’implant stimulera incidemment les axones des cellules voisines de sa cible. Pour l’utilisateur de l’œil bionique, cette stimulation hors cible des axones se traduit par la perception d’une forme allongée au lieu d’un point. Dans une étude publiée dans Transactions IEEE sur les systèmes neuronaux et l’ingénierie de la réadaptation, Lazzi et ses collègues ont déployé le modèle informatique pour résoudre ce problème.

« Vous voulez activer cette cellule, mais pas l’axone voisin », a déclaré Lazzi. « Nous avons donc essayé de concevoir une forme d’onde de stimulation électrique qui cible plus précisément la cellule. »

Les chercheurs ont utilisé des modèles pour deux sous-types de cellules ganglionnaires rétiniennes, au niveau unicellulaire ainsi que dans d’énormes réseaux. Ils ont identifié un modèle d’impulsions courtes qui cible préférentiellement les corps cellulaires, avec moins d’activation hors cible des axones.

Une autre étude récente dans la revue Rapports scientifiques appliqué le même système de modélisation informatique aux deux mêmes sous-types de cellules pour étudier comment encoder la couleur.

Cette recherche s’appuie sur des enquêtes antérieures montrant que les personnes utilisant l’Argus II perçoivent des variations de couleur avec des changements dans la fréquence du signal électrique – le nombre de fois que le signal se répète sur une durée donnée. En utilisant le modèle, Lazzi et ses collègues ont développé une stratégie pour ajuster la fréquence du signal pour créer la perception de la couleur bleue.

Au-delà de la possibilité d’ajouter une vision des couleurs à l’œil bionique, l’encodage avec des teintes pourrait être combiné avec l’intelligence artificielle dans les futures avancées basées sur le système, de sorte que les éléments particulièrement importants dans l’environnement d’une personne, tels que les visages ou les portes, se démarquent.

« Il y a une longue route, mais nous marchons dans la bonne direction », a déclaré Lazzi. «Nous pouvons doter ces prothèses d’intelligence, et avec la connaissance vient le pouvoir».

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À propos des études

Les deux études ont été menées par la même équipe de recherche USC. Le premier auteur sur les deux est Javad Paknahad, un étudiant diplômé en génie électrique. Les autres auteurs sont Kyle Loizos et le Dr Mark Humayun, co-inventeur de la prothèse rétinienne Argus II.

le Rapports scientifiques L’étude a été soutenue par la National Science Foundation (1833288), les National Institutes of Health (R21EY028744, U01EB025830) et Research to Prevent Blindness.

Divulgation:

Mark Humayun, MD, PhD, est un co-inventeur de la série d’implants Argus et reçoit des redevances.

À propos de la Keck School of Medicine

Fondée en 1885, la Keck School of Medicine of USC est l’une des principales institutions médicales du pays, connue pour ses soins innovants aux patients, ses découvertes scientifiques, son éducation et son service communautaire. Les étudiants en médecine et diplômés travaillent en étroite collaboration avec des professeurs de renommée mondiale et reçoivent une formation pratique dans l’une des communautés les plus diversifiées du pays. Ils participent à des recherches de pointe au fur et à mesure qu’ils se transforment en leaders de la santé de demain. Avec plus de 900 médecins résidents répartis dans 50 programmes de spécialités et de surspécialités, la Keck School est le plus grand éducateur de médecins exerçant dans le sud de la Californie.