Sheila Nirenberg: Un occhio prostetico per la cecità

Io studio l'informazione nei processi cerebrali. Ossia il modo di convogliare le informazioni dal mondo esterno e convertirle in schemi di attività elettrica, e poi usarli per poter compiere delle azioni - vedere, udire, prendere oggetti. In realtà sono uno scienziato teorico, ma nell'ultimo anno e mezzo ho cominciato a sconfinare nella sperimentazione, usando quel che avevo imparato su questi schemi di attività per sviluppare congegni prostetici, e oggi volevo mostrarvi uno di questi congegni. E' la prima volta che ne parlo in pubblico. E' lo sviluppo di una protesi per il trattamento della cecità.

Lasciate che vi spieghi il problema. Vi sono 10 milioni di persone negli USA e molte altre nel mondo che sono cieche o a rischio di cecità a causa di malattie della retina, come la degenerazione maculare, per cui c'è poco da fare. Esistono cure farmacologiche, ma funzionano solo per una piccola parte della popolazione. Per la gran parte dei pazienti l'unica speranza è poter riacquistare la vista grazie a delle protesi. Il problema è che le protesi esistenti non funzionano bene. Sono ancora molto limitate nell'amplificazione della vista. Ad esempio, sapete, con questi congegni i pazienti possono vedere oggetti semplici, come luci brillanti o profili ad alto contrasto, non molto di più, niente che si avvicini alla normale capacità visiva.

Ma oggi vi parlerò di un congegno su cui ho lavorato che credo abbia il potenziale per essere diverso e molto più efficace, e volevo mostrarvi come funziona. Bene, ora faccio un passo indietro e vi mostro il funzionamento di una retina normale, così capirete che tipo di problemi abbiamo cercato di risolvere. Ecco una retina. Dunque avete un'immagine, una retina e un cervello. Quando guardate qualcosa, come l'immagine di questo bimbo, questa passa attraverso l'occhio e arriva sulla retina, dove viene catturata da cellule chiamate fotorecettori. Questo dà il via al circuito elettrico della retina, la parte centrale comincia a lavorarci ed effettua delle operazioni, estraendo le informazioni e trasformandole in codici. Il codice prende la forma di impulsi elettrici che vengono convogliati al cervello, e dunque la cosa fondamentale è che l'immagine viene trasformata in codice. E quando dico codice intendo letteralmente codice. Questo schema di impulsi significa proprio "volto di bimbo", e quando gli impulsi arrivano al cervello, questo capisce che si trova di fronte al viso di un bambino, e se avesse ricevuto uno schema di impulsi diverso, magari l'avrebbe associato a un cane o forse a un cavallo. Ad ogni modo avete capito.

Naturalmente nella vita vera è tutto dinamico, cioè in continuo cambiamento, e gli schemi di impulsi cambiano sempre, perché il mondo che osservate cambia in ogni istante. Dunque è una cosa alquanto complicata. Avete questi impulsi provenienti dagli occhi ogni millisecondo che dicono al cervello cosa state vedendo. E quello che succede quando una persona ha una malattia degenerativa della retina, come la degenerazione maculare, è che le cellule, i fotoricettori muoiono, e con il passare del tempo tutte le cellule e i circuiti ad essi collegati muoiono anche loro. Finché l'unica cosa che rimane sono queste cellule, quelle che inviano i segnali al cervello, ma a causa della degenerazione non hanno più niente da trasmettere. Dato che non ricevono informazioni, al cervello non arriva più nessuna informazione visiva - ossia si diventa ciechi.

Perciò una soluzione potrebbe essere un congegno che mimi le azioni svolte dai fotorecettori e che invii le informazioni alle cellule preposte ai segnali in uscita dalla retina, così che possano tornare al loro compito di inviare i segnali al cervello. Dunque questo è ciò a cui stiamo lavorando e questo è ciò che riesce a fare la nostra protesi. E' costituita da due parti: un codificatore e un trasduttore. Quello che fa il codificatore è mimare le azioni del circuito anteriore della retina, in modo da raccogliere le immagini e convertirle in un codice che la retina comprende. E il trasduttore fa sì che le cellule della parte posteriore inviino il codice al cervello, e il risultato è una protesi retinica in grado di reagire come una normale retina. E così una retina completamente cieca, in cui sia assente il circuito anteriore, quello dei fotorecettori, è ora in grado di inviare segnali normali, segnali che il cervello riesce a comprendere. Nessun altro congegno è mai riuscito a fare tanto.

Bene, voglio dirvi brevemente qualcosa sul codificatore e sul suo funzionamento, perché è davvero la parte fondamentale ed è ed è proprio interessante e forte. Non so se 'forte' sia la parola più adatta, ma sapete cosa intendo dire. Dunque ciò che fa è sostituire il circuito retinico, la sua parte preminente, con una serie di equazioni che possiamo affidare ad un chip elettronico. Si tratta solo di matematica. In altre parole, non stiamo proprio rimpiazzando le parti della retina. Non costruiamo un mini apparato per ogni tipologia di cellule. Abbiamo solo sintetizzato il compito della retina con una serie di equazioni. E in un certo senso le equazioni costituiscono un dizionario dei codici. Arriva un'immagine, passa attraverso i sistemi di equazioni e ne esce sotto forma di impulsi elettrici, proprio come li produrrebbe una normale retina.

Adesso lasciate che vi mostri, in pratica, come possiamo ottenere una visione normale, e quali sono le implicazioni. Qui abbiamo tre modalità di elaborazione immagine. In alto, quella di un animale normale, al centro di un animale cieco a cui è stato applicato il congegno codificatore-trasduttore, e in basso quella di un animale cieco dotato di protesi standard. Dunque in basso c'è l'ultima tecnologia disponibile oggi, costituita essenzialmente da rilevatori di luce, ma che non fa uso di codificatori. E così abbiamo realizzato dei filmati con immagini comuni - persone, bambini, panchine, insomma cose normali - e abbiamo registrato la risposta della retina dei tre animali. Ora, tanto per farvi capire, ogni riquadro mostra gli schemi di attivazione di diverse cellule, e come per le immagini precedenti, ogni fila corrisponde a cellule diverse, e ho rimpicciolito gli impulsi in modo da farvi vedere una lunga serie di dati.

Come potete vedere, gli schemi di attivazione dell'animale cieco con il codificatore-trasduttore si avvicinano di molto a quelli normali - non è ancora perfetto, ma è abbastanza buono - mentre per l'animale con la protesi standard, i risultati lasciano a desiderare. Perché con il metodo standard le cellule si attivano, ma non secondo uno schema normale, perché non hanno il codice corretto. Ma quanto è importante averlo? Qual è l'impatto potenziale sulla capacità visiva di un paziente? Ora vi mostrerò un esperimento concreto per farvelo capire, e certamente dispongo di molti altri dati, e se siete interessati sarò lieta di condividerli con voi. L'esperimento si chiama esperimento di ricostruzione. Abbiamo preso un determinato fotogramma della registrazione e ci siamo chiesti cosa stesse vedendo la retina in quel momento. Possiamo ricostruire ciò che ha visto la retina in base alla reazione delle cellule?

E abbiamo fatto lo stesso per le risposte da metodo standard e quelle da codificatore-trasduttore. Ora ve le mostro, e inizierò con il metodo standard. Potete constatare che è alquanto limitato, e dato che gli schemi di attivazione non hanno il codice corretto, possono dirvi ben poco di cio' che succede là fuori Capite che c'è qualcosa, ma non è chiaro cosa sia quel qualcosa, quindi torniamo a quello che dicevo all'inizio, che con il metodo standard i pazienti percepiscono solo profili ad alto contrasto, percepiscono la luce, ma non molto di più. Qual era l'immagine? il volto di un bambino. Ma che succede con il nostro metodo, quando aggiungiamo il codice? Va molto meglio. Non solo riuscite a capire che è il viso di un bambino, ma che è proprio di questo bambino, una cosa davvero difficile. A sinistra l'immagine recepita dal solo codificatore, e a destra da una retina cieca, con l'ausilio del codificatore-trasduttore. Ma la più importante è quella con il solo codificatore, dato che abbiamo la possibilità di abbinarlo a diversi trasduttori.

Questo è solo il primo che abbiamo provato. Volevo parlarvi un attimo del metodo standard. Quando questo venne alla ribalta fu una cosa entusiasmante, l'idea di riuscire a far funzionare una retina del tutto cieca. Ma c'era un fattore limitante, il problema del codice e di come far reagire meglio le cellule perché rispondessero normalmente, e questo è stato il nostro contributo. Ora vorrei concludere, e come vi dicevo prima, dispongo di molti altri dati, se vi interessano, ma volevo lasciarvi con questa idea di base, sulla possibilità di comunicare con il cervello nel suo linguaggio e sulle possibilità che questo dischiude. Cosa diversa dalle protesi motorizzate in cui la comunicazione va dal cervello al congegno. Qui dobbiamo comunicare il mondo esterno al cervello e far sì che possa essere compreso.

E l'ultima cosa che volevo dire, davvero, è sottolineare come l'idea funzioni anche per altro. La stessa strategia usata per trovare il codice per la retina si può usare anche per i codici di altre aree, ad esempio per il sistema uditivo e quello motorio, e dunque per il trattamento di sordità e di disordini motori. E come siamo riusciti ad aggirare i circuiti danneggiati della retina per raggiungere le cellule posteriori, possiamo aggirare i circuiti danneggiati della coclea per raggiungere il nervo uditivo, oppure oltrepassare le zone danneggiate della corteccia cerebrale per colmare il divario creato da un ictus.

Volevo concludere con un semplice messaggio: comprendere il codice è estremamente importante, perché in questo modo, conoscendo il linguaggio del cervello, cose prima impossibili diventano possibili. Grazie.

(Applausi)