Pionierii opticii adaptive câștigă Premiul Rank pentru descoperiri în imagistica retiniană – Physics World

Patru oameni de știință care au fost pionier în dezvoltarea tehnologiilor de optică adaptivă (AO) pentru imagistica retinei umane au primit premiul 2024 Premiul de rang pentru optoelectronică. Castigatorii - Junzhong Liang, Donald Miller, Austin Roorda și David Williams – a inventat instrumente care folosesc AO pentru a capta imagini de înaltă rezoluție ale retinei vii și oferă o nouă perspectivă asupra structurii și funcției ochiului uman.

AO a fost dezvoltat inițial pentru utilizare în astronomie, pentru a elimina neclaritatea indusă de atmosferă în imaginile de la telescoapele de la sol. Funcționează prin măsurarea distorsiunilor dintr-un front de undă reflectat folosind un senzor de front de undă și apoi compensând aceste distorsiuni cu un corector de front de undă, care este adesea o oglindă deformabilă.

În 1997, Liang, Williams și Miller au demonstrat că AO poate fi folosit și pentru a corecta distorsiunile cauzate de optică imperfectă în ochiul uman. Folosind AO, au creat un aparat de fotografiat retinian cu o rezoluție fără precedent, permițând imagini clare ale celulelor fotoreceptoare individuale din retina umană vie. Doi ani mai târziu, Roorda și Williams au folosit acest instrument pentru a produce primele imagini care arată distribuția trei tipuri de conuri în retina umană.

Potrivit lui Donal Bradley, președintele Comitetului pentru optoelectronică Rank Prize, premiul recunoaște câștigătorii „contribuția fundamentală la imagistica în interiorul ochiului, care deschide noi oportunități de a înțelege acest instrument optic complex și de a îmbunătăți vederea prin intervenții precise”. Tami Freeman a vorbit cu doi dintre câștigători pentru a afla mai multe.

De la inventarea sa, cum a influențat AO domeniul imaginii oculare?

Donald Miller AO este singura tehnologie care permite vizualizarea celulelor individuale ale retinei într-un ochi viu. Și pentru că boala și patologia încep la acest nivel celular, acesta este nivelul la care vrem în cele din urmă să opereze clinicienii, pentru un diagnostic mai devreme și tratamente mai eficiente.

Ca exemplu din propriul meu laborator, recent ne-am uitat la impactul glaucomului, una dintre principalele cauze ale orbirii ireversibile din lume, asupra celulelor ganglionare retiniene – tipul de celulă primară care moare în această boală și care căptușește partea superioară a retinei. Deși există tratamente eficiente, boala este, din păcate, greu de diagnosticat precoce, până când nu se produc daune semnificative. Cu AO, putem acum, pentru prima dată, să monitorizăm celulele ganglionare retiniene individuale și să le urmărim în timp la acești pacienți.

Folosind AO combinată cu tomografia cu coerență optică (AO-OCT), am descoperit că, chiar și la ochii sub tratament, vedem pierderi subclinice de celule. Acest lucru este important deoarece clinicienii pot folosi acum aceste măsurători la nivel celular pentru a stabili mai bine dacă tratamentul lor funcționează sau nu. De asemenea, oferă un potențial considerabil pentru testarea eficacității și siguranței noilor strategii neuroprotectoare și regenerative. Vizualizarea celulelor ganglionare retiniene la subiecții umani a devenit posibilă doar în ultimii câțiva ani – intrăm într-o perioadă cu adevărat interesantă.

Austin Roorda Pe măsură ce tratamentele devin disponibile pentru bolile oculare majore, cum ar fi diabetul, glaucomul și degenerescența maculară, acum putem folosi AO pentru a evalua cât de eficiente sunt acestea. Dar există și alte boli retiniene moștenite din cauza mutațiilor genetice despre care se cunosc foarte puține. În acele boli rare, anterior singura modalitate de a vedea ce se întâmplă la scară celulară era să așteptați un ochi donator și să îl priviți la microscop. AO a deschis capacitatea de a examina retina la scară microscopică la acești pacienți. Tratamente precum terapia genică sunt la orizont care ar putea să vindece sau să oprească aceste boli moștenite. AO este gata să joace un rol cheie în acest proces - să înțeleagă modul în care mutația afectează retina, să evalueze starea retinei, să prezică prognosticul dacă pacientul este supus terapiei genice și apoi să măsoare eficacitatea terapiei respective.

Cum a progresat tehnologia AO în ultimii 25 de ani?

AR AO a fost inițial constrâns de tehnologia disponibilă, care a fost dezvoltată în mare parte pentru domeniul astronomiei. Deci oglinda deformabilă era mare și nu era potrivită pentru ochi. De-a lungul anilor, când companiile au început să recunoască potențialul AO în alte domenii, inclusiv oftalmoscopia, au început să construiască dispozitive de detectare a frontului de undă și corectoare de front de undă (oglinda deformabilă) care erau mult mai potrivite pentru aplicațiile în ochiul uman.

DM Când am dezvoltat prima dată sistemul AO, am făcut o mulțime de presupuneri: ce tip de corecție a frontului de undă să folosim, ce senzor de front de undă, viteza buclei și așa mai departe. În următorii cinci până la 10 ani, au existat o mulțime de îmbunătățiri în înțelegerea noastră a proprietăților spațiale și a dinamicii temporale a aberațiilor oculare. Acestea au definit apoi componentele AO: de câte actuatoare aveți nevoie în corectorul de front de undă, care ar trebui să fie cursa [deplasarea actuatorului], de câte puncte de eșantionare aveți nevoie pe pupilă și cât de repede ar trebui să meargă sistemul AO. Toate acestea au fost optimizate de-a lungul anilor.

De exemplu, corectorul de front de undă pe care l-am folosit în 1997 avea 37 de dispozitive de acționare care împing și trag de suprafața din spate a oglinzii pentru a-i deforma forma și ar oferi patru microni de cursă. Cele folosite astăzi au aproape 100 de actuatoare și dau cu un ordin de mărime mai multă cursă, ceea ce este important deoarece ochii au aberații severe; asta a făcut o mare diferență.

AR Acum, când utilizați AO, apăsați un buton și rulează automat la oriunde de la zeci la sute de herți. Înainte, trebuia să facem o fotografie, o hartă a aberațiilor ochiului și să o examinăm pentru a ne asigura că nu existau erori în analiza inițială a imaginii. Apoi ai apăsa butonul următor pentru a aplica acea formă pe oglindă. Deci, utilizatorul a fost o parte integrantă a sistemului AO în buclă închisă. A fost distractiv, dar a fost lent.

Inițial, Don, David și Junzhong au construit o cameră standard de iluminare prin inundații care ar privi retina printr-un sistem AO pentru a dezvălui structura microscopică. Mai târziu, am încorporat AO într-un sistem de scanare pentru a crea un oftalmoscop cu laser de scanare AO (AOSLO) care poate înregistra videoclipuri ale retinei și poate efectua secționarea în profunzime. Aceasta este o platformă complet nouă de imagistică AO. Alți cercetători au încorporat un tip de imagistică de contrast de fază care poate vizualiza celulele altfel transparente din retină, iar în grupul lui David efectuează imagini de fluorescență în ochii animalelor.

Care este principala ta zonă de cercetare actuală?

AR Dacă a existat o temă pentru ceea ce am făcut în ultimii 15 ani și ceva, aceasta este structura și funcția. Se pare că aparatul nostru de imagini AOSLO este, de asemenea, cel mai bun instrument de urmărire a ochilor din lume. Puteți urmări mișcarea ochilor foarte rapid și precis, deoarece puteți vedea mișcarea celulelor individuale din spatele ochiului. Am făcut acest lucru cu un pas mai departe, utilizând sistemul laser de scanare nu numai pentru a vizualiza retina, ci și pentru a controla plasarea imaginilor pe retină la scara unui singur con.

Am măsurat proprietățile funcționale la oamenii vii. Dacă ați fi în dispozitiv, aș putea transmite sclipiri de lumină în conuri individuale și aș putea întreba dacă le puteți vedea sau ce culoare vedeți. De la început, am cartografiat mozaicul con, care a fost una dintre marile descoperiri permise de AO. Acum putem lua acel mozaic de con și începe să punem întrebări despre circuitele retiniene de bază sau despre proprietățile fundamentale ale vederii umane a culorilor. Facem același lucru în cazul bolilor de ochi. Dacă ne uităm la o serie de celule la un pacient și nu pare normal, suntem interesați de consecințele funcționale – nu doar să vedem structura acelei retine bolnave, ci să întrebăm despre rezultatele vizuale.

DM De asemenea, suntem concentrați pe structură și funcție, dar utilizând AO-OCT. Marele avantaj al OCT este rezoluția sa axială, care vă permite să secționați orice adâncime din stratul retinei pe care doriți să o vizualizați. Conurile sunt foarte luminoase și înalt în contrast, dar alte celule tind să fie mult mai greu de imaginat, deoarece reflectă mult mai puțină lumină înapoi. Am făcut destul de mult progres utilizând AO-OCT pentru a vizualiza acești alți neuroni din retină la diferite adâncimi. A fost un pas mare pentru a putea imagini celulele ganglionare retiniene, deoarece acestea sunt foarte transparente și au un contrast foarte scăzut.

Am folosit, de asemenea, AO-OCT pentru a analiza funcția din fotoreceptori. În 2000, Austin și David și-au dezvoltat metoda de pionierat a densitometriei retiniene AO ​​pentru clasificarea conurilor. Douăzeci de ani mai târziu, putem folosi informațiile de fază furnizate de AO-OCT pentru a măsura modificările subtile ale alungirii acestor celule fotoreceptoare atunci când sunt stimulate de diferite culori de lumină. Acesta s-a dovedit a fi o modalitate mult mai precisă și mult mai puțin consumatoare de timp de a face clasificarea conurilor și este un bun exemplu al evoluției tehnologiei de imagistică AO.

Cum vedeți că evoluează domeniul AO în viitor?

AR În laboratorul meu, ne concentrăm mult pe măsuri subiective ale funcției, cum ar fi mișcările ochilor, acuitatea și vederea culorilor. Dar mi-aș imagina că, pe măsură ce tehnicile AO evoluează, vom putea măsura proprietățile funcționale ale majorității claselor de celule din retină. Chiar acum, Don a generat imagini frumoase ale celulelor ganglionare folosind AO-OCT. Acestea sunt ultimele celule înainte ca semnalele de la retină să ajungă la creier, deci este o clasă de neuroni a căror funcție ne interesează foarte mult. Folosind metode de fază, sau metode pe care nici măcar nu le putem concepe acum, s-ar putea să putem pentru a măsura proprietățile funcționale ale acelor și altor neuroni din retină.

Imaginile de subdifracție ale ochiului uman vizualizează fotoreceptorii cu detalii fără precedent

David, Don și cu mine suntem cufundați în cercetarea de bază, dar există o mulțime de alți oameni care se gândesc la cum să introducă aceste sisteme în clinică. AO nu este ușor și nu este ieftin, este o tehnologie complicată, așa că drumul către clinică nu este ușor. Acum există câteva companii care vor vinde dispozitive de imagistică AO, dar acestea nu sunt folosite în mod obișnuit.

DM Domeniul AO crește și scade între încercarea de a îmbunătăți performanța AO și a face AO mai accesibil și viabil din punct de vedere comercial. În laboratoarele noastre, încercăm să obținem cea mai bună performanță, corectând aberațiile și obținând imagini mai clare în scopuri de cercetare sau clinice. Dar există o cu totul altă latură care împinge această tehnologie pentru a o face mai compactă, mai ieftină și mai automatizată. Adevăratul potențial este căsătoria AO cu SLO și OCT pentru uz comercial. Cred că este doar o chestiune de timp.

• Fondat în 1972 de către industriașul și filantropul britanic Lord J Arthur Rank, Premiul Rank este acordat bienal în domeniile nutriției și optoelectronică. Premiul va fi acordat oficial pe 1 iulie 2024.

• Distribuție de conținut bazat pe SEO și PR. Amplifică-te astăzi.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Împuterniciți-vă. Accesați Aici.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Cunoștințe amplificate. Accesați Aici.
• PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Mediu inconjurator, Solar, Managementul deșeurilor. Accesați Aici.
• PlatoHealth. Biotehnologie și Inteligență pentru studii clinice. Accesați Aici.
• Sursa: https://physicsworld.com/a/adaptive-optics-pioneers-win-rank-prize-for-retinal-imaging-breakthroughs/