Estimulación no invasiva de la retina con ultrasonidos para restaurar la visión con alta resolución espacio-temporal

El sonido estimula la retina privada de visión para transmitir señales al cerebro.

Un grupo de investigación de la UCLA ha creado una prótesis de retina por ultrasonidos. Es un paso hacia una prótesis de retina no invasiva que funciona sin necesidad de una cirugía ocular invasiva.

Las enfermedades degenerativas de la retina, causadas por la degeneración progresiva de los fotorreceptores sensibles a la luz, siguen siendo una de las principales causas de pérdida de visión y ceguera, y afectan a decenas de millones de personas en todo el mundo.

Aunque los conos y los bastones, que son las células sensibles a la luz de la retina, se hayan degenerado por completo, los circuitos neuronales conectados al cerebro están en su mayoría bien conservados, lo que ofrece la oportunidad de restaurar la visión estimulando directamente las neuronas de la retina.

Una nueva solución basada en la activación de estas neuronas mediante ultrasonidos ha sido lograda por un grupo de investigación dirigido por el doctor Qifa Zhou, profesor de Ingeniería Biomédica y Oftalmología, y el doctor Mark S. Humayun, profesor de Oftalmología e Ingeniería Biomédica y uno de los inventores de Argus II, en la Universidad del Sur de California en Los Ángeles (UCLA).

«Se trata de un paso hacia una prótesis de retina no invasiva que funcione sin cirugías oculares invasivas», afirma Zhou en un comunicado de prensa de la universidad. «Unas gafas especiales con una cámara y un transductor de ultrasonidos pretenden dar a las personas invidentes o con visión parcial una nueva visión del mundo».

El estudio, publicado en BME Frontiers1, fue financiado por el Instituto Nacional del Ojo. Según la universidad, para ver si este enfoque podía funcionar, los investigadores estimularon los ojos de las ratas con ondas de ultrasonido, un sonido con una frecuencia muy superior a la que puede oír un humano. Estos sonidos de alta frecuencia pueden manipularse bien y focalizarse en una zona específica del ojo. Este método permitió activar pequeños grupos de neuronas en el ojo de la rata ciega, igual que las señales luminosas pueden activar un ojo normal.

La presión mecánica ejercida por el sonido puede activar las neuronas del ojo y enviar señales al cerebro. Para una experiencia comparable, cualquiera puede sentir los fosfenos de la luz frotándose los ojos o presionando suavemente los globos oculares mientras los ojos están cerrados.

«El reto sigue siendo habilitar la percepción visual provocada por los ultrasonidos para que pueda proporcionar una visión útil a las personas invidentes», afirma Humayun, que es pionero en el campo de las prótesis de retina.

«Sabemos que los ultrasonidos pueden generar una presión mecánica bien controlada, la fuerza de radiación acústica, y que podría utilizarse para activar las neuronas», dijo Gengxi Lu, uno de los estudiantes de doctorado de Zhou que recientemente presentó los resultados de la investigación en una conferencia de la Sociedad Acústica de América en Seattle.
«Todavía hay que averiguar cómo la presión mecánica activó exactamente a las neuronas de la retina»

Según la universidad, el estudio se encuentra ahora en una fase inicial de desarrollo de un dispositivo para realizar experimentos con humanos. Una de las principales limitaciones de los experimentos con animales es que, a diferencia de los humanos, no podemos obtener respuestas sobre sus experiencias visuales durante la estimulación del ojo con ultrasonidos. El equipo resolvió este problema midiendo las actividades visuales directamente desde el área visual del cerebro de la rata, conocida como colículo superior, al que está conectado directamente el nervio óptico.

Colocando una matriz de electrodos en esta zona, fue posible registrar la activación de la retina mediante electrofisiología. El estudio demostró que cuando los ultrasonidos se proyectan como un patrón en la retina (por ejemplo, la letra «C») era posible medir las actividades correspondientes en el colículo superior.

Uno de los requisitos más importantes de las prótesis visuales es que el usuario pueda ver las imágenes con la mayor nitidez posible. Para conseguirlo, las imágenes entrantes deben contener muchos datos concretos. La cámara acoplada al sistema puede encargarse de ello, pero ¿es posible que las ondas sonoras sean capaces de transmitir esos pequeños detalles a las neuronas de la retina sin que se fusionen entre sí?

«El problema de la resolución del sistema experimental aún no está superado», afirma Xuejun Qian, investigador postdoctoral del laboratorio de Zhou que demostró por primera vez la estimulación retiniana por ultrasonidos en ratas ciegas in vivo.

«En las ratas, el haz de ultrasonidos estimuló una zona circular de la retina con un diámetro de unas 250 millonésimas partes del metro, mientras que en la retina se aglutinan neuronas individuales cuyo tamaño es de sólo unas millonésimas de milímetro», explicó Qian. «Por eso, para conseguir una mejor resolución, tenemos que experimentar con haces de ultrasonidos de mayor frecuencia».

Los experimentos realizados por el equipo demostraron que las neuronas emitían la señal más fuerte cuando se activaban unas cinco veces por segundo. Pero el cerebro humano tiene una velocidad de cálculo mucho mayor, por lo que puede ver cada imagen por separado a esta velocidad. Debido a esta limitación, la imagen de una persona sentada enfrente puede parecer muy movida. Los fabricantes de películas y videojuegos son conscientes de que las imágenes sólo pueden ser fluidas a una velocidad de 24 fotogramas por segundo. Cuando probamos con una frecuencia de imagen tan alta, las neuronas de los ojos de las ratas fallaron.

El Dr. Biju Thomas, profesor asociado de Investigación Oftalmológica, afirma en el comunicado de la universidad que cree que los investigadores pueden resolver, al menos parcialmente, este problema. Sus experimentos demuestran que cuanto mayor es la frecuencia de los ultrasonidos, más intensamente se activan las neuronas. Esto puede compensar la atenuación que supone una mayor frecuencia de fotogramas. Diez fotogramas por segundo deberían ser suficientes para enviar con éxito las señales al cerebro», afirma Gengxi Lu en el comunicado de prensa de la universidad.

Hay una patente pendiente sobre este nuevo sistema de estimulación por ultrasonidos. Una empresa de Texas llamada Nanoscope Technologies LLC, centrada principalmente en la terapia génica para la ceguera, concederá la licencia de la técnica y proporcionará apoyo para realizar futuros experimentos con conejos y monos. Esto hace que Zhou sea optimista respecto al momento en que una persona ciega, que esté dispuesta y pueda permitírselo, pueda tener una prótesis visual adaptada. Si los próximos experimentos tienen éxito, esta novedosa tecnología podría trasladarse a ensayos clínicos en humanos en los próximos 3 a 5 años.

Imagen: Diagrama esquematizado del sistema de estimulación US. (a) La parte de estimulación de la retina. Se utilizó un transductor de 3,1 MHz de enfoque esférico de un solo elemento para transmitir ondas acústicas dirigidas a la retina. Las neuronas de la retina fueron excitadas y luego generaron señales neuronales que se transmitieron a través del nervio óptico al cerebro. (b) La parte de registro del cerebro. Se insertó una guía de multielectrodos (MEA) en el colículo superior contralateral (SC) o en la corteza visual (VC).

Estimulación no invasiva de la retina con ultrasonidos para restaurar la visión con alta resolución espacio-temporal

Referencia
1. Xuejun Qian, Gengxi Lu, Biju B. Thomas, Runzi , Ziaoang Chen, K. Kirk Shung, Mark Humayun, Qifa Zhou, et al; Noninvasive Ultrasound Retinal Stimulation for Vision Restoration at High Spatiotemporal Resolution; BME Frontiers; doi 10.34133/2022/9829316

Traducción: Asociación Mácula Retina

Fuente