Pionierzy optyki adaptacyjnej zdobywają nagrodę rankingową za przełomowe osiągnięcia w obrazowaniu siatkówki – Physics World

Czterech naukowców, którzy byli pionierami w rozwoju technologii optyki adaptacyjnej (AO) do obrazowania ludzkiej siatkówki, otrzymało nagrodę 2024 Nagroda Rankingowa w dziedzinie Optoelektroniki. Zwycięzcy - Junzhong Lianga, Donald Miller, Austina Roordę i David Williams – wynaleźli instrumenty wykorzystujące AO do przechwytywania obrazów żywej siatkówki w wysokiej rozdzielczości i zapewniające nowy wgląd w strukturę i funkcję ludzkiego oka.

AO został pierwotnie opracowany do użytku w astronomii, aby wyeliminować rozmycie wywołane atmosferą na obrazach z teleskopów naziemnych. Działa poprzez pomiar zniekształceń w odbitym czole fali za pomocą czujnika czoła fali, a następnie kompensację tych zniekształceń za pomocą korektora czoła fali, którym często jest odkształcalne zwierciadło.

W 1997 Liang, Williams i Miller wykazali, że AO można również wykorzystać do korekcji zniekształceń spowodowanych niedoskonałą optyką ludzkiego oka. Używając AO, stworzyli kamera do obrazowania siatkówki o niespotykanej dotąd rozdzielczości, umożliwiającej wyraźne obrazowanie poszczególnych komórek fotoreceptorów w żywej siatkówce człowieka. Dwa lata później Roorda i Williams wykorzystali ten instrument do wykonania pierwszych w historii zdjęć przedstawiających rozmieszczenie trzy rodzaje czopków w ludzkiej siatkówce.

Według Donala Bradleya, przewodniczącego Komitetu ds. Optoelektroniki Rank Prize, nagroda stanowi wyraz uznania dla zwycięzców za „przełomowy wkład w obrazowanie oka, który otwiera nowe możliwości zrozumienia tego złożonego instrumentu optycznego i poprawy wzroku poprzez precyzyjne interwencje”. Tami Freeman rozmawiała z dwoma zwycięzcami, aby dowiedzieć się więcej.

Jak AO wpłynęło od czasu jego wynalezienia na dziedzinę obrazowania oka?

Donald Miller AO to jedyna technologia, która umożliwia wizualizację poszczególnych komórek siatkówki w żywym oku. A ponieważ choroby i patologie zaczynają się na poziomie komórkowym, ostatecznie chcemy, aby klinicyści operowali na tym poziomie, aby umożliwić wcześniejszą diagnozę i skuteczniejsze leczenie.

Jako przykład z mojego własnego laboratorium, ostatnio przyglądaliśmy się wpływowi jaskry, jednej z głównych przyczyn nieodwracalnej ślepoty na świecie, na komórki zwojowe siatkówki – główny typ komórek, który umiera w tej chorobie i który wyściela górna część siatkówki. Chociaż istnieją skuteczne metody leczenia, choroba jest niestety trudna do zdiagnozowania na wczesnym etapie, dopóki nie wystąpią znaczne uszkodzenia. Dzięki AO możemy teraz po raz pierwszy monitorować poszczególne komórki zwojowe siatkówki i śledzić je w czasie u tych pacjentów.

Stosując AO w połączeniu z optyczną tomografią koherentną (AO-OCT) odkryliśmy, że nawet w leczonych oczach obserwujemy subkliniczną utratę komórek. Jest to ważne, ponieważ klinicyści mogą teraz wykorzystywać te pomiary na poziomie komórkowym, aby lepiej ustalić, czy ich leczenie działa. Oferuje również znaczny potencjał testowania skuteczności i bezpieczeństwa nowych strategii neuroprotekcyjnych i regeneracyjnych. Wizualizacja komórek zwojowych siatkówki u ludzi stała się możliwa dopiero w ciągu ostatnich kilku lat – wkraczamy w naprawdę ekscytujący czas.

Austina Roordę W miarę jak dostępne stają się metody leczenia głównych chorób oczu powodujących oślepienie, takich jak cukrzyca, jaskra i zwyrodnienie plamki żółtej, możemy teraz za pomocą AO ocenić ich skuteczność. Istnieją jednak inne dziedziczne choroby siatkówki spowodowane mutacjami genów, o których niewiele wiadomo. W przypadku tych rzadkich chorób jedynym sposobem, aby zobaczyć, co dzieje się w skali komórkowej, było poczekanie na oko dawcy i obejrzenie go pod mikroskopem. AO otworzyło u tych pacjentów możliwość badania siatkówki w skali mikroskopowej. Na horyzoncie pojawiają się takie metody leczenia, jak terapia genowa, które mogłyby potencjalnie wyleczyć lub zatrzymać te dziedziczne choroby. AO może odegrać kluczową rolę w tym procesie – zrozumieć, w jaki sposób mutacja wpływa na siatkówkę, ocenić stan siatkówki, przewidzieć rokowanie, jeśli pacjent zostanie poddany terapii genowej, a następnie zmierzyć skuteczność tej terapii.

Jak rozwinęła się technologia AO w ciągu ostatnich 25 lat?

AR Pierwotnie AO było ograniczone dostępną technologią, która została w dużej mierze opracowana na potrzeby astronomii. Odkształcalne lustro było więc duże i nie pasowało do oka. Z biegiem lat, kiedy firmy zaczęły dostrzegać potencjał AO w innych dziedzinach, w tym w oftalmoskopii, zaczęły budować urządzenia wykrywające czoło fali i korektory czoła fali (zwierciadło odkształcalne), które znacznie lepiej nadawały się do zastosowań w ludzkim oku.

DM Kiedy po raz pierwszy opracowaliśmy system AO, zrobiliśmy wiele domysłów: jakiego rodzaju korekcji czoła fali użyć, jaki czujnik czoła fali, prędkość pętli i tak dalej. W ciągu następnych pięciu do dziesięciu lat nastąpiła duża poprawa w naszym zrozumieniu właściwości przestrzennych i czasowej dynamiki aberracji ocznych. Następnie zdefiniowali komponenty AO: ile siłowników potrzebujesz w korektorze czoła fali, jaki powinien być skok [przemieszczenie siłownika], ile punktów próbkowania potrzebujesz w źrenicy i jak szybko powinien działać system AO. Wszystko to było przez lata optymalizowane.

Na przykład korektor fali, którego użyliśmy w 1997 r., miał 37 siłowników, które popychają i ciągną tylną powierzchnię lustra w celu odkształcenia jego kształtu, co zapewniało skok wynoszący cztery mikrony. Te stosowane obecnie mają blisko 100 siłowników i dają o rząd wielkości większy skok, co jest ważne, ponieważ oczy mają poważne aberracje; to zrobiło dużą różnicę.

AR Teraz, gdy używasz AO, naciskasz przycisk i uruchamia się on automatycznie z częstotliwością od dziesiątek do setek herców. Wcześniej musieliśmy zrobić zdjęcie, mapę aberracji oka i dokładnie je sprawdzić, aby upewnić się, że we wstępnej analizie obrazu nie ma błędów. Następnie naciśnij następny przycisk, aby zastosować ten kształt do lustra. Zatem użytkownik był integralną częścią systemu AO z zamkniętą pętlą. Było fajnie, ale powoli.

Początkowo Don, David i Junzhong zbudowali standardową kamerę oświetlającą, która patrzyła na siatkówkę przez system AO, aby odsłonić mikroskopijną strukturę. Później włączyłem AO do systemu skanującego, aby stworzyć skaningowy oftalmoskop laserowy AO (AOSLO), który może rejestrować wideo siatkówki i wykonywać przekroje głębokości. To zupełnie nowa platforma obrazowania AO. Inni badacze zastosowali rodzaj obrazowania z kontrastem fazowym, który umożliwia wizualizację przezroczystych komórek w siatkówce, a grupa Davida przeprowadza obrazowanie fluorescencyjne w oczach zwierząt.

Jaki jest Twój obecny główny obszar badań?

AR Jeśli istniał temat tego, co robiłem przez ostatnie 15 lat, była to struktura i funkcja. Okazuje się, że nasz imager AOSLO jest jednocześnie najlepszym na świecie eyetrackerem. Możesz bardzo szybko i dokładnie śledzić ruch gałek ocznych, ponieważ widzisz ruch pojedynczych komórek w tylnej części oka. Posunęliśmy się o krok dalej, wykorzystując skaningowy system laserowy nie tylko do obrazowania siatkówki, ale także do kontrolowania rozmieszczenia obrazów na siatkówce w skali pojedynczego stożka.

Mierzyliśmy właściwości funkcjonalne żywych ludzi. Gdybyś był w urządzeniu, mógłbym dostarczać błyski światła do poszczególnych stożków i pytać, czy je widzisz i jaki kolor widzisz. Na początku zmapowaliśmy mozaikę stożka, co było jednym z największych odkryć dzięki AO. Teraz możemy wziąć tę mozaikę stożkową i zacząć zadawać pytania dotyczące podstawowych obwodów siatkówki lub podstawowych właściwości ludzkiego widzenia kolorów. To samo robimy w przypadku chorób oczu. Jeśli patrzymy na szereg komórek pacjenta i nie wygląda to normalnie, interesują nas konsekwencje funkcjonalne – nie tylko oglądanie struktury chorej siatkówki, ale także pytanie o efekty wizualne.

DM Skupiamy się również na strukturze i funkcji, ale używamy AO-OCT. Dużą zaletą OCT jest jego rozdzielczość osiowa, która pozwala wydzielić dowolną głębokość warstwy siatkówki, którą chcesz zwizualizować. Czopki są bardzo jasne i kontrastują, ale inne komórki są zwykle znacznie trudniejsze do sfotografowania, ponieważ odbijają znacznie mniej światła. Poczyniliśmy spore postępy, wykorzystując AO-OCT do obrazowania innych neuronów w siatkówce na różnych głębokościach. Możliwość obrazowania komórek zwojowych siatkówki, ponieważ są one bardzo przezroczyste i mają bardzo niski kontrast, była dużym krokiem.

Używamy również AO-OCT do sprawdzenia funkcji fotoreceptorów. W 2000 roku Austin i David opracowali pionierską metodę densytometrii siatkówki AO do klasyfikacji czopków. Dwadzieścia lat później możemy wykorzystać informacje fazowe dostarczone przez AO-OCT do pomiaru subtelnych zmian w wydłużeniu tych komórek fotoreceptorów pod wpływem stymulacji różnymi barwami światła. Okazało się, że jest to znacznie dokładniejszy i znacznie mniej czasochłonny sposób klasyfikacji czopków i jest dobrym przykładem ewolucji technologii obrazowania AO.

Jak widzisz rozwój dziedziny AO w przyszłości?

AR W moim laboratorium dużo uwagi poświęcamy subiektywnym miarom funkcji, takim jak ruchy oczu, ostrość i widzenie kolorów. Jednak wyobrażam sobie, że w miarę ewolucji technik AO będziemy w stanie zmierzyć właściwości funkcjonalne większości klas komórek siatkówki. W tej chwili Don wygenerował piękne obrazy komórek zwojowych za pomocą AO-OCT. Są to ostatnie komórki, zanim sygnały z siatkówki dotrą do mózgu, jest to więc klasa neuronów, których funkcją jesteśmy bardzo zainteresowani. Stosując metody fazowe, czyli metody, których w tej chwili nawet nie jesteśmy w stanie sobie wyobrazić, być może uda nam się to osiągnąć. do pomiaru właściwości funkcjonalnych tych i innych neuronów w siatkówce.

Obrazowanie subdyfrakcyjne ludzkiego oka pozwala na wizualizację fotoreceptorów z niespotykaną dotąd szczegółowością

David, Don i ja jesteśmy zaangażowani w badania podstawowe, ale wiele innych osób zastanawia się, jak wprowadzić te systemy do kliniki. AO nie jest łatwe i nie tanie, to skomplikowana technologia, więc droga do kliniki nie jest łatwa. Obecnie jest kilka firm, które sprzedają urządzenia do przetwarzania obrazu AO, ale w żadnym wypadku nie są one używane rutynowo.

DM Pole AO rośnie i zanika pomiędzy próbami poprawy wydajności AO a uczynieniem AO bardziej dostępnym i opłacalnym komercyjnie. W naszych laboratoriach staramy się osiągnąć najlepszą wydajność, korygując aberracje i uzyskując ostrzejsze obrazy do celów badawczych lub klinicznych. Ale jest też zupełnie inna strona, która naciska na tę technologię, aby uczynić ją bardziej kompaktową, tańszą i bardziej zautomatyzowaną. Prawdziwy potencjał tkwi w połączeniu AO z SLO i OCT do użytku komercyjnego. Myślę, że to tylko kwestia czasu.

• Założona w 1972 roku przez brytyjskiego przemysłowca i filantropa Lorda J. Arthura Ranka, Nagroda Rank przyznawana jest co dwa lata w dziedzinie żywienia i optoelektroniki. Nagroda zostanie uroczyście wręczona 1 lipca 2024 r.

• Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
• PlatoData.Network Pionowe generatywne AI. Wzmocnij się. Dostęp tutaj.
• PlatoAiStream. Inteligencja Web3. Wiedza wzmocniona. Dostęp tutaj.
• PlatonESG. Węgiel Czysta technologia, Energia, Środowisko, Słoneczny, Gospodarowanie odpadami. Dostęp tutaj.
• Platon Zdrowie. Inteligencja w zakresie biotechnologii i badań klinicznych. Dostęp tutaj.
• Źródło: https://physicsworld.com/a/adaptive-optics-pioneers-win-rank-prize-for-retinal-imaging-breakthroughs/