Model Komputer Canggih Memungkinkan Peningkatan Teknologi "Bionic Eye"

Para peneliti mengembangkan model komputer canggih yang divalidasi secara eksperimental yang mereproduksi bentuk dan posisi jutaan sel saraf di mata, serta sifat fisik dan jaringan yang terkait dengannya. Berfokus pada model sel saraf yang mengirimkan informasi visual dari mata ke otak, para peneliti mengidentifikasi cara untuk berpotensi meningkatkan kejelasan dan memberikan penglihatan warna ke perangkat prostetik retina di masa depan.

Para peneliti di Keck School of Medicine of USC mengembangkan sinyal yang dapat membawa penglihatan warna dan meningkatkan kejelasan untuk prostesis bagi orang buta.

Gambar: static.techspot.com

Ada jutaan orang yang mengalami kehilangan penglihatan akibat penyakit mata degeneratif. Kelainan genetik retinitis pigmentosa saja mempengaruhi 1 dari 4.000 orang di seluruh dunia.

Saat ini, ada teknologi yang tersedia untuk menawarkan penglihatan parsial kepada orang-orang dengan sindrom itu. Argus II, prostesis retina pertama di dunia, mereproduksi beberapa fungsi bagian mata yang penting untuk penglihatan, untuk memungkinkan pengguna melihat gerakan dan bentuk.

Sementara bidang prostesis retina masih dalam masa pertumbuhan, bagi ratusan pengguna di seluruh dunia, "mata bionik" memperkaya cara mereka berinteraksi dengan dunia setiap hari. Misalnya, melihat garis besar objek memungkinkan mereka bergerak di sekitar lingkungan yang tidak dikenal dengan peningkatan keamanan.

Itu baru permulaan. Para peneliti sedang mencari perbaikan masa depan pada teknologi, dengan tujuan ambisius dalam pikiran.

“Tujuan kami sekarang adalah mengembangkan sistem yang benar-benar meniru kompleksitas retina,” kata Gianluca Lazzi, Profesor Provost of Ophthalmology and Electrical Engineering di Keck School of Medicine of USC dan USC Viterbi School of Engineering.

Dia dan rekan-rekannya di USC mengembangkan kemajuan dengan sepasang studi terbaru menggunakan model komputer canggih tentang apa yang terjadi di retina. Model mereka yang divalidasi secara eksperimental mereproduksi bentuk dan posisi jutaan sel saraf di mata, serta sifat fisik dan jaringan yang terkait dengannya.

“Hal-hal yang sebelumnya tidak dapat kita lihat, sekarang dapat kita modelkan,” kata Lazzi, yang juga Profesor Teknik Fred H. Cole dan direktur Institut Teknologi dan Sistem Medis USC. “Kami dapat meniru perilaku sistem saraf, sehingga kami benar-benar dapat memahami mengapa sistem saraf melakukan apa yang dilakukannya.”

Berfokus pada model sel saraf yang mengirimkan informasi visual dari mata ke otak, para peneliti mengidentifikasi cara untuk berpotensi meningkatkan kejelasan dan memberikan penglihatan warna ke perangkat prostetik retina di masa depan.

Mata, bionik, dan lainnya

Untuk memahami bagaimana model komputer dapat meningkatkan mata bionik, ada baiknya mengetahui sedikit tentang bagaimana penglihatan terjadi dan bagaimana prostesis bekerja.

Ketika cahaya memasuki mata yang sehat, lensa memfokuskannya ke retina, di bagian belakang mata. Sel yang disebut fotoreseptor menerjemahkan cahaya menjadi impuls listrik yang diproses oleh sel lain di retina. Setelah diproses, sinyal diteruskan ke sel ganglion, yang menyampaikan informasi dari retina ke otak melalui ekor panjang, yang disebut akson, yang disatukan untuk membentuk saraf optik.

Fotoreseptor dan sel pemrosesan mati pada penyakit mata degeneratif. Sel ganglion retina biasanya tetap berfungsi lebih lama; Argus II mengirimkan sinyal langsung ke sel-sel tersebut.

“Dalam kondisi yang tidak menguntungkan ini, tidak ada lagi input yang baik ke sel ganglion,” kata Lazzi. “Sebagai insinyur, kami bertanya bagaimana kami dapat menyediakan input listrik itu.”

Seorang pasien menerima implan mata kecil dengan rangkaian elektroda. Elektroda tersebut diaktifkan dari jarak jauh ketika sinyal ditransmisikan dari sepasang kacamata khusus yang memiliki kamera. Pola cahaya yang dideteksi oleh kamera menentukan sel ganglion retina mana yang diaktifkan oleh elektroda, mengirimkan sinyal ke otak yang menghasilkan persepsi gambar hitam-putih yang terdiri dari 60 titik.

Model komputer memberikan kemajuan baru

Dalam kondisi tertentu, elektroda dalam implan secara tidak sengaja akan merangsang akson sel yang berdekatan dengan targetnya. Bagi pengguna mata bionik, stimulasi akson yang tidak tepat sasaran ini menghasilkan persepsi bentuk memanjang, bukan titik. Dalam sebuah penelitian yang diterbitkan di IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering , Lazzi dan rekan-rekannya menggunakan model komputer untuk mengatasi masalah ini.

“Anda ingin mengaktifkan sel ini, tetapi bukan akson tetangganya,” kata Lazzi. “Jadi kami mencoba merancang bentuk gelombang stimulasi listrik yang lebih tepat menargetkan sel.”

Para peneliti menggunakan model untuk dua subtipe sel ganglion retina, pada tingkat sel tunggal serta dalam jaringan besar. Mereka mengidentifikasi pola pulsa pendek yang secara khusus menargetkan badan sel, dengan aktivasi akson yang lebih sedikit di luar target.

Studi terbaru lainnya di jurnal Scientific Reports menerapkan sistem pemodelan komputer yang sama ke dua subtipe sel yang sama untuk menyelidiki cara mengkodekan warna.

Penelitian ini didasarkan pada penyelidikan sebelumnya yang menunjukkan bahwa orang yang menggunakan Argus II merasakan variasi warna dengan perubahan frekuensi sinyal listrik - berapa kali sinyal berulang selama durasi tertentu. Dengan menggunakan model tersebut, Lazzi dan rekan-rekannya mengembangkan strategi untuk menyesuaikan frekuensi sinyal untuk menciptakan persepsi warna biru.

Di luar kemungkinan penambahan penglihatan warna pada mata bionik, pengkodean dengan rona dapat dikombinasikan dengan kecerdasan buatan dalam kemajuan masa depan berdasarkan sistem, sehingga elemen yang sangat penting di lingkungan seseorang, seperti wajah atau pintu, menonjol.

“Ada jalan yang panjang, tapi kami berjalan ke arah yang benar,” kata Lazzi. “Kita dapat memberikan prosthetics ini dengan kecerdasan, dan dengan pengetahuan muncul kekuatan.”