Ipovisione e retina artificiale

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Il professor Lanzani: “Abbiamo creato una retina artificiale funzionante, un giorno servirà a curare la cecità”
di Roberto Zonca
E’ firmata dal Dipartimento di Neuroscienze e Neurotecnologie (Nbt), dal Centro di Nanoscienze e Tecnologie dell’Istituto Italiano di Tecnologia (Cnst – Iit Polimi) e dal Dipartimento di Fisica del Politecnico di Milano la messa a punto del prototipo della prima retina artificiale al mondo perfettamente funzionante. Il team di ricercatori, alcuni dei quali freschi di dottorato (Diego Ghezzi, Maria Rosa Antognazza e Erica Lanzarini), è stato coordinato dal professor Guglielmo Lanzani, fisico e professore associato presso il Politecnico di Milano e dal collega Fabio Benfenati. Lo studio, i cui risultati sono stati pubblicati su Nature Communications, è partito dalla necessità di voler trovare una rimedio ai problemi legati al malfunzionamento della retina umana. La soluzione è giunta unendo una miriade di altissime competenze che ha permesso di sviluppare una retina artificiale che consiste in un’interfaccia tra le cellule nervose e un materiale organico semiconduttore chiamato rr-P3HT:PCBM. Questo, sebbene al momento sia stata fatta esclusivamente una dimostrazione in vitro, mima il processo a cui sono deputati i fotorecettori presenti nella retina: capta gli impulsi luminosi, li converte in segnali elettrici e li invia al cervello attraverso il nervo ottico. Su questa importante notizia abbiamo intervistato il professor Lanzani, coordinatore dello studio.
Come si è giunti alla creazione di questa retina artificiale?
“Non è stato un caso. Siamo arrivati a creare questa ‘protesi’ attraverso una programmazione precisa. Abbiamo usato dei semiconduttori organici, materiali artificiali creati in laboratorio – a base di carbonio -, che risultano essere molto simili alle sostanze che si trovano in natura. L’uso di questo materiale garantisce una biocompatibilità maggiore, in quanto soffice e leggero e flessibile: in caso di un’integrazione in una protesi potrebbe presentare notevoli vantaggi. Questi materiali vengono solitamente usati nelle celle fotovoltaiche, e hanno pertanto la naturale capacità di assorbire la luce per poi creare delle cariche elettriche: fenomeno alla base della stimolazione dei neuroni. La prima cosa che abbiamo fatto è stata studiare la compatibilità dei neuroni, depositandoli e facendoli crescere sul nostro semiconduttore organico. Così facendo abbiamo visto che i nostri neuroni crescono bene, cosa non del tutto scontata. In un secondo momento abbiamo stimolato otticamente il semiconduttore organico e notato che il segnale luminoso veniva trasformato in un segnale elettrico: siamo riusciti a far vedere la luce ai nostri neuroni”.
Quale sarà il prossimo passo?
“Ora abbiamo fatto una ‘prova di concetto’, dimostrando che utilizzando questi materiali e il trasporto ionico del liquido in cui i neuroni vivono, si riesce a realizzare questa interfaccia quindi a foto stimolare i neuroni. Una protesi vera e propria la realizzeremo in seguito: dovrà essere più grande e di materiale maggiormente flessibile: alla fine studieremo la biocompatibilità inserendola in un topo”.
Quando potrebbe esser disponibile sul mercato?
“Parlare di un inserimento sul mercato è prematuro. Se tutto andrà bene serviranno alcuni anni. Prima dobbiamo studiare la biocompatibilità nel suo complesso, inserendo la retina in un topo, e poi dovremo trovare un modo per ingegnerizzare il dispositivo, rendendolo bio-mimetico. A quel punto sarà indispensabile trovare un contatto con dei colleghi specializzati in chirurgia oculare. La nostra come si evince è una ricerca estremamente multidisciplinare”.
Chi usufruirà di una di queste retine artificiali potrà riacquistare una vista “normale”?
“Questo è molto difficile da stabilire. Oggi non siamo in grado di sviluppare una retina artificiale capace di svolgere le complesse funzioni di una retina biologica. Anche con le protesi al silicio più moderne si riesce al massimo a distinguere delle lettere retroilluminate: niente più che sagome. C’è una strada complessa ancora da percorrere e per farlo è necessario un lavoro congiunto di fisici, chimici, ingegneri e psicologi. In sintesi si dovrà cercare di comprendere il meccanismo della visione, ancora poco chiaro. Noi siamo comunque riusciti a dimostrare che i nostri materiali sono in grado di visualizzare, sebbene in teoria, anche delle immagini a colori. Come queste possano esser poi trasmesse al cervello è tutto da chiarire”.
Anche un non vedente che non abbia subito danni al nervo ottico?
“E’ il nostro obiettivo finale. Noi speriamo di arrivare un giorno a questo importante risultato. E’ stato così per l’orecchio: i primi impianti erano molto rudimentali e facevano distinguere vagamente i rumori, adesso siamo arrivati ad una risoluzione del suono quasi uguale a quella naturale. Per la visione è molto più complicato, ma confidiamo nel riuscire negli anni a sviluppare un occhio bionico in grado di eguagliare o persino superare le capacità del suo corrispondente biologico”.
Questa retina artificiale avrà una “vita illimitata” o rischia il deterioramento?
“Rischia un deterioramento, ma si dovrà capire in che modo. Posso dire che le celle fotovoltaiche organiche hanno una vita media di 10 anni. In questi dispositivi c’è però un elettrodo, che noi abbiamo sostituito con il liquido ionico: confidiamo sia un’idea vincente. Sono ottimista, dico che spero che le nostre retine artificiali possano vivere almeno 10 anni”.
Si può migliorare questo dispositivo? Qual è il suo sogno?
“L’ostacolo più grosso è relativo alla comprensione del meccanismo della visione e alla codifica delle informazioni da mandare al cervello. Il dispositivo ideale, che cercheremo di fare, è una retina artificiale completa in cui abbiamo una distribuzione spaziale dei fotorecettori simili a quelli della retina naturale. Questa segue una geometria particolare che si chiama log-polare: cercheremo di riprodurre il tutto in una retina artificiale e per comprenderne meglio il funzionamento la installeremo in un robot”.
I risultati da voi ottenuti potranno esser utili anche in altri campi?
“Sì, quello della retina è l’impiego più immediato, ma ne esistono molti altri. L’ocpogenetica, area emergente delle neuroscienze che mira a servirsi della luce per stimolare le aree neuronali, potrebbe un giorno servirsi dei risultati da noi ottenuti per curare le malattie del sistema nervoso”.
I tagli alla ricerca interessano anche le vostre strutture? Con quali conseguenze?
“Sono un docente del politecnico di Milano e direttore del Centro di Nanoscienze e Tecnologie dell’Istituto Italiano di Tecnologia, nel politecnico di Milano. Come Iit siamo un’isola felice: Iit è un esperimento italiano che effettua ricerca in maniera differente, e in cambio di questo abbiamo un livello di finanziamento adeguato. Come politecnico di Milano le cose cambiano e i tagli sono pesantissimi: di fatto non abbiamo più agenzie a cui rivolgerci per i finanziamento nazionale. Esiste qualcosa per i finanziamenti regionali, ma la situazione è realmente difficile. Speriamo che questo ultimissimo studio possa darci una mano. Il nostro Paese sforna ottimi ricercatori: alcuni scelgono di andare all’estero, perché trovano condizioni di lavoro migliori altri restano e accettano di combattere contro mille difficoltà che distolgono dagli obiettivi principali. Confidiamo nei politici e nella possibilità che presto possano considerarci una risorsa in cui investire”.
Che cosa manca alla ricerca italiana per potersi confrontare con il mercato internazionale?
“Le risorse umane di certo non mancano. Il problema è la carenza dei finanziamenti, ma questo è assodato. Sentiamo inoltre la mancanza di una struttura, di una organizzazione intorno alla ricerca che, se anche è vero in Italia esiste, è spesso mal funzionante: io devo combattere con una burocrazia assurda, che va contro ogni mia esigenza e sembra fatta appositamente per non farmi lavorare. All’estero questi problemi non esistono. Negli Stati Uniti, in Inghilterra e soprattutto in Finlandia, in periodi di crisi, il governo investe nella ricerca, mentre da noi accade esattamente il contrario”.
I privati credono sufficientemente nella ricerca italiana?
“Ci sono alcune grosse industrie che investono sulla ricerca, ma sono veramente pochissime. Il problema è che il tessuto industriale italiano è composto principalmente da piccole e medie imprese che non investono nella ricerca in quanto non hanno prodotti ad alta tecnologia. Quelle poche che avrebbero interesse ad investire hanno spesso paura, scoraggiate anche dalla eccessiva burocrazia”.
27 gennaio 2011
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Roberto Zonca
It ‘signed by the Department of Neuroscience and neurotechnology (Nbt), the Center for Nanoscience and Technology of the Italian Institute of Technology (Cnst – Polimi IITs) and the Department of Physics at the Politecnico di Milano the development of the prototype of the first artificial retina the world’s working perfectly. The team of researchers, some of them fresh PhD (Diego Ghezzi, Maria Rosa and Erica Antognazza Lanzarini), was coordinated by Professor William Lanzani, physicist and associate professor at the Polytechnic of Milan and his colleague Fabio Benfenati. The study, whose results were published in Nature Communications, started from the need to find a remedy to the problems related to the malfunction of the human retina. The solution is reached by combining a myriad of high skills that allowed the development of an artificial retina that is an interface between nerve cells and an organic material called semiconductor rr-P3HT: PCBM. This, although at the time it was made only a demonstration in vitro, mimics the process to which they are assigned to the photoreceptors in the retina picks up the light pulses and converts them into electrical signals and sends them to the brain via the optic nerve. On this important news we interviewed Professor Lanzani, coordinator of the study.
As we come to the creation of this artificial retina?
“It was not an accident. We got to create this ‘implants’ through precise programming. We used organic semiconductor materials, artificial materials created in a laboratory – based on carbon – which appear to be very similar to substances found in nature. The use of this material ensures a greater biocompatibility, as soft and light and flexible: in case of integration in a prosthesis may offer significant advantages. These materials are generally used in the photovoltaic cells, and therefore have the natural ability to absorb the light and then create the electrical charges: phenomenon at the base of the stimulation of neurons. The first thing we did was to study the compatibility of neurons, depositing and making them grow on our organic semiconductor. In doing so we have seen that our neurons grow well, which is not entirely obvious. In a second step we optically stimulated the organic semiconductor and noticed that the light signal was converted into an electrical signal we were able to see the light of our neurons. ”
What’s the next step?
“Now we made a ‘proof of concept’, demonstrating that using these materials and the ionic transport of the liquid in which neurons live, are unable to achieve this interface and then to photo stimulate neurons. A real prosthesis will realize it later: it will be bigger and more flexible material at the end we will study the biocompatibility inserting it into a mouse. ”
When it might be available?
“Talk about a market introduction is premature. If all goes well will need several years. First we must study the biocompatibility as a whole, by inserting the retina in a mouse, and then we will have to find a way to engineer the device, making bio-mimetic. At that point it will be necessary to find a contact with colleagues who specialize in eye surgery. As shown in our research is highly multidisciplinary. ”
Who will benefit from one of these artificial retinas may repurchase a view of “normal”?
“This is very difficult to establish. Today, we are not able to develop an artificial retina able to carry out complex functions of a biological retina. Even with the most modern silicon implants can currently make out of the letters backlit: nothing more than silhouettes. There is a complex way still to go and to do that you need a joint work of physicists, chemists, engineers and psychologists. In summary, we should try to understand the mechanism of vision, still unclear. We are still able to demonstrate that our materials are able to view, although in theory, the color images. How these can then be transmitted to the brain remains to be clarified. ”
Even a blind person who has not suffered any damage to the optic nerve?
“It ‘s our ultimate goal. We hope to one day get to this important result. It ‘been so for the ear: the first plants were very rudimentary and were vaguely distinguish the sounds, now we have reached a resolution of the sound almost identical to the natural one. For the vision is much more complicated, but we are confident in succeeding years to develop a bionic eye can match or even exceed the capabilities of its corresponding organic “.
This artificial retina will have an “indefinite” or risk deterioration?
“He risks a deterioration, but you will understand how. I can say that organic solar cells have an average life of 10 years. In these devices, however, there is an electrode, which we replaced with the ionic liquid: trust is a winning idea. I am optimistic, I say that I hope that our artificial retinas can live at least 10 years. ”
You can improve this device? What is your dream?
“The biggest obstacle is related to the understanding of the mechanism of vision and the encoding of the information to be sent to the brain. The ideal device, we will try to do is complete an artificial retina where we have a spatial distribution similar to those of the photoreceptors of the retina natural. This follows a particular geometry which is called log-polar we will try to play around in an artificial retina and to better understand the operation of the install in a robot. ”
The results obtained may be useful to you in other areas?

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Roberto Zonca
Il est signé par le Département des neurosciences et de la neurotechnologie (NBT), le Centre pour la nanoscience et de la technologie de l’Institut italien de technologie (CNST – Polimi IIT) et le Département de physique de Politecnico di Milano le développement du prototype de la rétine premier artificielle le monde fonctionne parfaitement. L’équipe de chercheurs, certains d’entre eux, frais, PhD (Diego Ghezzi, Maria Rosa et Erica Antognazza Lanzarini), a été coordonné par le Professeur William Lanzani, physicien et professeur agrégé à l’École polytechnique de Milan et son collègue Fabio Benfenati. L’étude, dont les résultats ont été publiés dans Nature Communications, a commencé à partir de la nécessité de trouver une solution aux problèmes liés au mauvais fonctionnement de la rétine humaine. La solution est atteint en combinant une multitude de compétences élevées qui ont permis le développement d’une rétine artificielle qui est une interface entre les cellules nerveuses et d’une matière organique appelée semi-rr-P3HT: PCBM. Ceci, bien qu’à l’époque il a été fait seulement une démonstration in vitro, imite le processus auquel ils sont affectés à des photorécepteurs de la rétine capte les impulsions lumineuses et les convertit en signaux électriques et les envoie au cerveau via le nerf optique. Sur cette nouvelles importantes, nous avons interviewé le professeur Lanzani, coordinateur de l’étude.
Comme nous arrivons à la création de cette rétine artificielle?
«Ce n’était pas un accident. Nous sommes arrivés à créer ce «implants» à travers une programmation précise. Nous avons utilisé des matériaux semi-conducteurs organiques, de matériaux artificiels créés dans un laboratoire – à base de carbone – qui semblent être très similaires à des substances trouvées dans la nature. L’utilisation de ce matériau assure une plus grande biocompatibilité, aussi doux et léger et souple: en cas d’intégration dans une prothèse peut offrir des avantages significatifs. Ces matériaux sont généralement utilisés dans les cellules photovoltaïques, et ont donc la capacité naturelle à absorber la lumière et créer des charges électriques: phénomène à la base de la stimulation des neurones. La première chose que nous avons faite a été d’étudier la compatibilité des neurones, déposer et faire croître notre semi-conducteur organique. Ce faisant, nous avons vu que nos neurones se développent bien, ce qui n’est pas tout à fait évidente. Dans un deuxième temps, nous stimulée optiquement le semi-conducteur organique et a remarqué que le signal lumineux est converti en un signal électrique, nous avons pu voir la lumière de nos neurones. ”
Quelle est la prochaine étape?
«Maintenant, nous avons fait un« proof of concept », ce qui démontre que l’utilisation de ces matériaux et le transport ionique du liquide dans lequel les neurones vivent, sont incapables d’atteindre cette interface, puis de photo stimuler les neurones. Une prothèse réelle sera rendu compte plus tard: il sera plus grand et matériau plus souple à la fin, nous allons étudier la biocompatibilité de l’insérer dans une souris “.
Quand il pourrait être disponible?
“Tu parles d’un lancement sur le marché est prématurée. Si tout va bien faudra plusieurs années. Nous devons d’abord étudier la biocompatibilité dans son ensemble, en insérant la rétine d’une souris, et ensuite nous devrons trouver une façon de concevoir le dispositif, ce qui en bio-mimétique. À ce moment, il sera nécessaire de trouver un contact avec des collègues qui se spécialisent dans la chirurgie oculaire. Comme le montre notre recherche est très pluridisciplinaire. ”
Qui bénéficiera de l’une de ces rétines artificielles peut racheter une vue de la «normalité»?
«C’est très difficile à établir. Aujourd’hui, nous ne sommes pas en mesure de développer une rétine artificielle capable de réaliser des fonctions complexes d’une rétine biologique. Même avec les implants en silicone les plus modernes peuvent actuellement faire à partir des lettres lumineuses: rien de plus que des silhouettes. Il ya une façon complexe qui reste à parcourir et pour ce faire vous avez besoin d’un travail conjoint des physiciens, des chimistes, des ingénieurs et des psychologues. En résumé, nous devons essayer de comprendre le mécanisme de la vision, toujours incertaine. Nous sommes toujours en mesure de démontrer que nos matériaux sont capables de voir, même si en théorie, les images en couleur. Comment ceux-ci peuvent ensuite être transmises au cerveau reste à préciser. ”
Même un aveugle qui n’a pas subi de dommages au nerf optique?
«C’est notre objectif ultime. Nous espérons un jour arriver à ce résultat important. C ‘est ainsi depuis l’oreille: les premières plantes étaient très rudimentaires et étaient vaguement distinguer les sons, nous avons atteint une résolution du son presque identique à celui naturel. Car la vision est beaucoup plus compliqué, mais nous sommes confiants dans les années suivantes pour développer un œil bionique ne peut égaler, voire dépasser les capacités de sa organique correspondant “.
Cette rétine artificielle aura une détérioration «indéfinie» ou un risque?
“Il risque une dégradation, mais vous comprendrez comment. Je peux dire que les cellules solaires organiques ont une durée de vie moyenne de 10 ans. Dans ces dispositifs, cependant, il ya une électrode, nous avons remplacé avec le liquide ionique: la confiance est une idée gagnante. Je suis optimiste, je dis que j’espère que nos rétines artificielles peuvent vivre au moins 10 ans. ”
Vous pouvez améliorer ce dispositif? Quel est votre rêve?
«Le plus grand obstacle est lié à la compréhension du mécanisme de la vision et de l’encodage de l’information à transmettre au cerveau. L’appareil idéal, nous allons essayer de faire est de remplir une rétine artificielle où nous avons une distribution spatiale similaire à celles des photorécepteurs de la rétine naturelles. Cela fait suite à une géométrie particulière qui est appelé log-polaire nous allons essayer de jouer dans une rétine artificielle et de mieux comprendre le fonctionnement de l’installation dans un robot. ”
Les résultats obtenus peuvent vous être utiles dans d’autres domaines?
“Oui, ce que la rétine est utilisé dans le plus simple, mais il ya beaucoup d’autres. Le ocpogenetica, nouveau domaine de la neuroscience qui vise à utiliser la lumière pour stimuler les zones neuronales, pourrait un jour utiliser les résultats que nous avons obtenus pour traiter les maladies du système nerveux. ”
Les coupes à la recherche affectera également vos installations? Quelles sont les conséquences?
«Je suis maître de conférences à l’École polytechnique de Milan et directeur du Centre pour la nanoscience et de la technologie de l’Institut Italien de Technologie, l’école polytechnique de Milan. Comme nous sommes heureux d’IIT île: IIT est une expérience italienne qui effectue la recherche d’une manière différente, et en échange de cela, nous avons un niveau de financement adéquat. Comme l’école polytechnique de Milan, les choses changent et les coupes sont très lourdes: en fait, nous n’avons plus besoin de se tourner vers les agences de financement nationales. Il ya quelque chose de financement régional, mais la situation est vraiment difficile. Nous espérons que cette nouvelle étude va nous donner un coup de main. Notre pays produit d’excellents chercheurs: certains choisissent d’aller à l’étranger, car ils trouvent de meilleures conditions de travail et d’autres sont autorisés à se battre contre les nombreuses difficultés qui distraient de ses principaux objectifs. Nous avons confiance dans les politiciens et la possibilité que, bientôt, peut nous considèrent comme une ressource dans laquelle investir. ”
Ce qui manque dans la recherche italienne afin de comparer avec le marché international?
“Les ressources humaines ne manquent pas. Le problème est le manque de financement, mais c’est un fait. Également ressentir le manque d’une structure, une organisation autour de cela, même si cela est vrai en Italie, il est souvent dysfonctionnel: je dois me battre une bureaucratie absurde, ce qui va à l’encontre chacun de mes besoins et est fait pour moi de ne pas travailler. A l’étranger, ces problèmes n’existent pas. Aux États-Unis, en Angleterre et surtout en Finlande, en temps de crise, le gouvernement investit dans la recherche, alors qu’ici, c’est exactement le contraire. ”
Personnes croient suffisamment dans la recherche italienne?
“Il ya quelques grandes industries qui investissent sur la recherche, mais ils sont vraiment très rares. Le problème est que la structure industrielle italienne est principalement composé de petites et moyennes entreprises qui n’investissent pas dans la recherche parce qu’ils n’ont pas produits de haute technologie. Les rares personnes qui auraient un intérêt à investir ont souvent peur, découragé même par la bureaucratie. ”
27 janvier 2011


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