VRの力を借りて人工網膜が進歩、人体臨床試験に向けて開発が進む

今回は「VRの力を借りて人工網膜が進歩、人体臨床試験に向けて開発が進む」についてご紹介します。

関連ワード （VR、スイス、網膜、視覚等） についても参考にしながら、ぜひ本記事について議論していってくださいね。

本記事は、TechCrunch様で掲載されている内容を参考にしておりますので、より詳しく内容を知りたい方は、ページ下の元記事リンクより参照ください。

視覚障害を持つ多くの人々にとって、人工網膜の開発はひと筋の光とも言えるが、いよいよその実現が現実味を帯びてきた。これまでとはまったく異なるアプローチを採用した最新のテクノロジーでは、光を電気に変換する極小ドットを用いる。そしてバーチャルリアリティを用いることで、この構想の実現性が高いことことが確認できている。

この光起電力人工網膜はスイス連邦工科大学ローザンヌ校によって開発されたもので、Diego Ghezzi（ディエゴ・ゲッツィ）氏がこのアイデアの実現に向けて数年前から取り組んでいる。

初期の人工網膜は数十年前に作られており、その基本的な仕組みは、体外に設置されたカメラ（例えば眼鏡など）からワイヤーを介して微小電極アレイに信号が送られるというものだ。微小電極アレイは、機能していない網膜の表面を貫通し、機能している細胞を直接刺激する多数の小さな電極で構成されている。

これの問題点は、アレイへの電源供給やデータ送信のために眼球の外側からワイヤーを通す必要があることだが、これは人工装具や身体全般において一般的に「すべきでないこと」とされている。また、アレイ自体の大きさによって配置できる電極の数が制限されるため、最良のシナリオでの効果的な解像度は数十から百「ピクセル」程度のものだった（視覚システムの仕組み上、このピクセルの概念は私たちがイメージするものとは異なる）。

光を電流に変える光起電力素材を使用することで、こういった問題を回避するというのがゲッツィ氏のアプローチだ。デジタルカメラの仕組みとさほど変わらないが、電荷を画像として記録するのではなく、電流を網膜に送り込むというわけだ。電力やデータを網膜インプラントに中継するためのワイヤーは必要ない。どちらも、網膜インプラントを照らす光によって提供されるためだ。

画像クレジット：Alain Herzog / EPFL

同校が開発中の網膜インプラントには何千もの小さな光起電力ドットが配置されており、理論的には眼球の外側にある装置がカメラからの検出結果に応じて光を送り込むことで、映像が映し出されるという。当然のことながら、これは非常に難しい技術だ。また、画像を撮影し、目を通して網膜インプラントに投影するメガネやゴーグルも必要である。

我々がこの方法を初めて耳にしたのは2018年のことだが、新たな資料によるとその後状況は多少変化しているようだ。

「ピクセル数を約2300から1万500に増やしました。そのため今では映像を個々に見るというよりは、連続したフィルムのように見えます」とゲッツィ氏はTechCrunchへのメールで説明してくれた。

当然、そのドットが網膜に押し付けられるとなると話は別である。何しろ正方形なら100×100ピクセルほどしかないのだから、高精細度と呼ぶには程遠い。しかし、人間の視覚を再現することが目的ではない。そもそもそれは不可能なことであり、特に最初のトライでそれを実現させることは現実的ではないだろう。

「技術的には、ピクセルを小さく高密度にすることは可能です。問題は、発生する電流がピクセルサイズに応じて減少するということです」とゲッツィ氏。

電流はピクセルサイズに応じて減少する。ピクセルサイズはもとより大きくはない（画像クレジット：Diego Ghezziその他）

そのためピクセルを増やせば増やすほど機能を果たすことが難しくなり、さらに隣り合う2つのドットが網膜の同じネットワークを刺激するというリスクもある（これはテスト済みだという）。しかし数が少なすぎると、ユーザーにとって分かりやすい画像が得られない可能性がある。10500個というと十分に聞こえ、またそれで十分なのかもしれないが、それを裏付けるデータがないのが実情だ。そこで同チームは一見まったく縁のなさそうな媒体に注目した。VRである。

研究チームが実験段階の網膜インプラントを人に装着してその効果を確かめるという「テスト」を正確に行うことはできないため、デバイスの範囲や解像度が物体や文字を認識するような日常的タスクに十分であるかどうかを判断する別の方法が必要だったのだ。

画像クレジット：Jacob Thomas Thornその他

これを実現するため、インプラントを介して網膜を刺激することで生まれるであろう光の「蛍光物質」が見える以外は真っ暗なVR環境に人々に入ってもらう（ゲッツィ氏はこれを、明るく移り変わる星座のようなものだと表現している）。そして蛍光物質の数や表示される範囲、画像が移り変わるときの光の「尾」の長さを変えて、被験者が文字や風景などをどの程度認識できるかをテストした。

画像クレジット：Jacob Thomas Thornその他

その結果、最も重要なのは「視野角」つまり映像が映し出される範囲の大きさであることが判明した。どんなに鮮明な画像でも、視界の中心部だけに映し出された場合理解しにくく、全体の鮮明度が損なわれたとしても、視野が広いほうが良いということが分かったのだ。脳内の視覚システムの強力な分析により、まばらな画像でもエッジや動きなどを直感的に理解することができる。

これにより、インプラントのパラメーターが理論的に正しいことが示され、同チームが人体臨床試験に向けて動き出すことが可能となった。このアプローチは以前のワイヤー式のものに比べて非常に有望なものの、広く利用できるようになるには早くても数年はかかるだろう。それでもこのタイプの網膜インプラントが実用化される可能性があるということは、非常にエキサイティングなことであり、我々もこのトピックから目を離さず見守っていきたいと思う。

画像クレジット：Alain Herzog / EPFL

【原文】

An artificial retina would be an enormous boon to the many people with visual impairments, and the possibility is creeping closer to reality year by year. One of the latest advancements takes a different and very promising approach, using tiny dots that convert light to electricity, and virtual reality has helped show that it could be a viable path forward.

These photovoltaic retinal prostheses come from the École polytechnique fédérale de Lausanne, where Diego Ghezzi has been working on the idea for several years now.

Early retinal prosthetics were created decades ago, and the basic idea is as follows: A camera outside the body (on a pair of glasses, for instance) sends a signal over a wire to a tiny microelectrode array, which consists of many tiny electrodes that pierce the nonfunctioning retinal surface and stimulate the working cells directly.

The problems with this are mainly that powering and sending data to the array requires a wire running from outside the eye in — generally speaking a “don’t” when it comes to prosthetics and the body in general. The array itself is also limited in the number of electrodes it can have by the size of each, meaning for many years the effective resolution in the best case scenario was on the order of a few dozen or hundred “pixels.” (The concept doesn’t translate directly because of the way the visual system works.)

Ghezzi’s approach obviates both these problems with the use of photovoltaic materials, which turn light into an electric current. It’s not so different from what happens in a digital camera, except instead of recording the charge as in image, it sends the current into the retina like the powered electrodes did. There’s no need for a wire to relay power or data to the implant, because both are provided by the light shining on it.

Image Credits: Alain Herzog / EPFL

In the case of the EPFL prosthesis, there are thousands of tiny photovoltaic dots, which would in theory be illuminated by a device outside the eye sending light in according to what it detects from a camera. Of course, it’s still an incredibly difficult thing to engineer. The other part of the setup would be a pair of glasses or goggles that both capture an image and project it through the eye onto the implant.

We first heard of this approach back in 2018, and things have changed somewhat since then, as a new paper documents.

“We increased the number of pixels from about 2,300 to 10,500,” explained Ghezzi in an email to TechCrunch. “So now it is difficult to see them individually and they look like a continuous film.”

Of course when those dots are pressed right up against the retina it’s a different story. After all, that’s only 100×100 pixels or so if it were a square — not exactly high definition. But the idea isn’t to replicate human vision, which may be an impossible task to begin with, let alone realistic for anyone’s first shot.

“Technically it is possible to make pixel smaller and denser,” Ghezzi explained. “The problem is that the current generated decreases with the pixel area.”

Current decreases with pixel size, and pixel size isn’t exactly large to begin with. Image Credits: Ghezzi et al

So the more you add, the tougher it is to make it work, and there’s also the risk (which they tested) that two adjacent dots will stimulate the same network in the retina. But too few and the image created may not be intelligible to the user. 10,500 sounds like a lot, and it may be enough — but the simple fact is that there’s no data to support that. To start on that the team turned to what may seem like an unlikely medium: VR.

Because the team can’t exactly do a “test” installation of an experimental retinal implant on people to see if it works, they needed another way to tell whether the dimensions and resolution of the device would be sufficient for certain everyday tasks like recognizing objects and letters.

Image Credits: Jacob Thomas Thorn et al

To do this, they put people in VR environments that were dark except for little simulated “phosphors,” the pinpricks of light they expect to create by stimulating the retina via the implant; Ghezzi likened what people would see to a constellation of bright, shifting stars. They varied the number of phosphors, the area they appear over, and the length of their illumination or “tail” when the image shifted, asking participants how well they could perceive things like a word or scene.

Image Credits: Jacob Thomas Thorn et al

Their primary finding was that the most important factor was visual angle — the overall size of the area where the image appears. Even a clear image is difficult to understand if it only takes up the very center of your vision, so even if overall clarity suffers it’s better to have a wide field of vision. The robust analysis of the visual system in the brain intuits things like edges and motion even from sparse inputs.

This demonstration showed that the implant’s parameters are theoretically sound and the team can start working toward human trials. That’s not something that can happen in a hurry, and while this approach is very promising compared with earlier, wired ones, it will still be several years even in the best case scenario before it’s possible it could be made widely available. Still, the very prospect of a working retinal implant of this type is an exciting one and we’ll be following it closely.

（文：Devin Coldewey、翻訳：Dragonfly）

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