Sheila Nirenberg: Un ochi protetic pentru tratarea orbirii

Studiez cum procesează creierul informația. Cum ia informația din lumea înconjurătoare și o transformă în tipare de activitate electrică și apoi cum folosește acele tipare ca să-ți permită sa faci diverse -- să vezi, să auzi, să te întinzi după un obiect. Sunt doar om de știință, nu fonetician, dar în ultimul an și jumătate am început să virez, să folosesc ce-am învățat despre aceste tipare de activitate pentru a dezolta dispozitive protetice. Și azi vroiam să vă arăt un exemplu. E prima noastră incursiune în așa ceva. E dezvoltarea unui dispozitiv protetic pentru tratarea orbirii.

Așadar să încep cu acea problemă. Există 10 milioane de oameni în Statele Unite și mult mai mulți în lume orbi sau pe cale să orbească din pricina unor boli ale retinei, precum degenerescența maculară. Puțin mai poate fi făcut pentru ei. Există tratamente medicale, dar sunt eficiente doar pentru o mică parte din populație. Așa că pentru vasta majoritate a pacienților, cea mai bună șansă de redobândire a vederii e prin intermediul dispozitivelor protetice. Problema e că protezele actuale nu funcționează foarte bine. Încă sunt limitate în imaginea pe care o redau. De exemplu, cu aceste dispozitive, pacienții pot vedea lucruri simple precum lumini și contraste puternice, nu mai mult, n-a fost posibil nimic apropiat de vederea obișnuită.

Prin urmare vă voi vorbi azi despre un dispozitiv la care am lucrat care are potențialul să aibă impact, să fie mult mai eficient. Și vroiam să vă arăt cum funcționează. Ok, merg înapoi puțin să vă arăt cum funcționează o retină normală întâi, ca să vedeți problema pe care încercăm s-o rezolvăm. Aveți aici o retină. Aveți o imagine, o retină și un creier. Când vă uitați la ceva ca imaginea feței unui copil, ea ajunge la ochi și apoi la retină, la partea mai proeminentă a celulelor de aici, fotoreceptorii. Apoi ce se întâmplă e că circuitele retinei, partea din mijloc, se duc să lucreze la imagine, efectuează operații, extrag informații din ea și transformă informația într-un cod. Codul e în forma acestor tipare de impulsuri electrice care sunt trimise la creier. Elementul cheie e că imaginea e transformată în cele din urmă într-un cod. Și când spun cod, mă refer literalmente la un cod. Acest tipar de impulsuri chiar înseamnă "fața unui copil", iar când creierul primește acest tipar de impulsuri, știe că era fața unui copil și dacă ar primi alt tipar ar ști că era, să zicem, un câine sau alt tipar ar fi o casă. Oricum, ați prins ideea.

Desigur, în viață, totul e dinamic, adică se schimbă tot timpul, deci tiparele de impulsuri se schimbă tot timpul deoarece lumea la care te uiți se schimbă și ea tot timpul. Deci vedeți, e un lucru destul de complicat. Aveți aceste tipare de impulsuri care ies din ochi în fiecare milisecundă spunând creierului ce anume vezi. Deci ce se întâmplă când o persoană are la retină o boală degenerativă ca degenerescența maculară? Ce se întâmplă este că celulele din partea proeminentă mor, fotoreceptorii mor și în timp toate celulele și circuitele concectate la ele mor și ele, până când tot ce-ți rămâne sunt aceste celule, celulele output, cele care trimit semnalele la creier. Dar, din cauza degenerării, nu mai trimit semnale. Nu primesc niciun input, deci creierul persoanei nu mai primește nicio informație vizuală -- adică persoana e oarbă.

Așadar, o soluție la problemă ar fi să construim un mecanism care să simuleze acțiunile acelor circuite din față, să trimită semnale la celulele output ale retinei ca ele să-și reia rolul lor de a trimite semnale la creier. Prin urmare la asta am lucrat. Asta-i ce face proteza noastră. E compusă din două părți, ce numim un codificator și un traductor. Codificatorul face ce spuneam: simulează acțiunile circuitelor din față -- prin urmare ia imaginile și le transformă în codul retinei. Apoi traductorul face ca celulele output să trimită mai departe codul la creier. Iar rezultatul este o proteză pentru retină care produce informație "de ieșire" normală. Prin urmare o retină complet oarbă, chiar fără niciun circuit frontal, niciun fotoreceptor, poate acum să trimită semnale normale, semnale pe care creierul le poate înțelege. Niciun alt dispozitiv n-a realizat asta.

În regulă, vreau să spun câte ceva despre codificator și ce face el, pentru că e elementul-cheie și e destul de interesant și 'cool'. Poate 'cool' să nu fie cuvantul potrivit, dar înțelegeți ce vreau să spun. Proteza înlocuiește circuitele retinei, chiar miezul acestor circuite, cu un set de ecuații, ecuații pe care le implementăm pe un cip. E doar matematică. Cu alte cuvinte, nu înlocuim literalmente compenentele retinei. Nu-i ca și când facem un mini-dispozitiv pentru fiecare tip de celululă. Doar am abstractizat ce face retina cu ajutorul unui set de ecuații. Într-un fel ecuațiile servesc ca un fel de listă de coduri. O imagine vine, trece prin setul de ecuații și iese sub forma unor impulsuri electrice, exact cum ar produce o retină normală.

Acum să trec la treabă și să vă arăt că putem produce informație output, și care sunt implicațiile acestui fapt. Iată 3 seturi de tipare de transfer. Cel de sus e de la un animal normal, cel din mijloc de la un animal orb care a fost tratat cu dispozitivul "codificator-traductor" și cel de jos e de la un animal tratat cu o proteză standard. Cel de jos e cel mai recent și performant dispozitiv care se găsește în prezent pe piață, făcut din detectori de lumină, dar fără codificator. Deci am rulat filme cu aspecte de zi cu zi -- oameni, copii, bănci din parc, lucruri obișnuite și am înregistrat răspunsurile de la retinele acestor 3 grupuri de animale. Acum ca să vă orientez, fiecare cutie arată tiparele câtorva celule, ca în diapozitivele anterioare, fiecare rând e o celulă diferită. Eu doar am făcut impulsurile mai mici și mai subțiri ca să vă arăt un câmp mai mare de informație.

După cum vedeți, tiparele de la animalul orb ajutat de dispozitivul "codificator-traductor" chiar seamănă mult cu tiparul normal. Nu e perfect, dar e destul de bun. La animalul orb tratat cu proteza standard, răspunsurile nu seamănă. Deci cu metoda standard, celulele trimit semnale, dar nu după tipar normal pentru că n-au codul corect. Cât de important este? Care-i impactul potențial asupra abilității pacientului de-a vedea? O să vă arăt un experiment elocvent care răspunde la întrebare, și desigur am multe alte informații, așa că dacă sunteți interesați, vă arăt mai multe. Experimentul se numește experiment de "reconstruire". Ce am făcut a fost să izolăm un moment din aceste înregistrări și ne-am întrebat, ce vedea retina în acel moment? Putem reconstrui ce vedea retina pornind de la răspunsuri, de la tiparele codificate?

Am aplicat asta la răspunsurile de la metoda standard și de la sistemul nostru codificator-traductor. Așadar dați-mi voie să vă arăt. Voi începe întâi cu metoda standard. Vedeți că e destul de limitată, și pentru că tiparele de trimitere nu au codul corect sunt foarte limitate în ce pot spune despre ce se întâmplă. Vedeți că este ceva acolo dar nu e clar ce e acel ceva. Și asta oarecum se întoarce la ce spuneam la început. Cu metoda standard pacienții văd margini de contrast puternic, văd lumină, dar nu se reușește mai mult de atât. Prin urmare care era imaginea? Era fața unui bebeluș. Dar abordarea noastră cu adăugare de cod? Vedeți că este mult mai bine. Nu numai că vă dați seamna că e fața unui bebeluș, dar vedeți că e fața acestui bebeluș, o sarcină destul de greu de îndeplinit. În stânga e codificatorul singur iar în dreapta de la o retină oarbă, așadar codificatorul și traductorul. Dar elementul-cheie e codificatorul însuși, pentru că-l putem cupla cu un alt traductor.

Acesta e primul pe care l-am încercat. Voiam să vă spun ceva despre metoda standard. Când a ieșit pe piață a fost un lucru nemaipomenit, ideea că puteai face o retină oarbă să răspundă cât de cât. Dar exista un factor limită: emiterea codului și inducerea celulelor de-a răspunde mai bine, de-a produce răspunsuri normale. Asta a fost contribuția noastră. Acum aș vrea să fac un sumar. Așa cum am menționat mai devreme, am desigur multe alte date dacă sunteți interesați, dar am vrut să transmit această idee de bază a posibilității de-a comunica cu creierul în limba lui și potențiala putere de-a face asta. În concluzie, e diferită de alte proteze motorii unde comunici de la creier cu un dispozitiv. Aici trebuie să comunicăm dinspre lumea exterioară înspre creier și să fim înțeleși, să fim înțeleși de creier.

Ultimul lucru pe care doream să-l spun, țin să subliniez faptul că ideea poate fi generalizată. Aceeași strategie pe care am folosit-o să găsim codul pentru retină o putem folosi să găsim codul pentru alte zone, de ex. sistemul audtitiv, sistemul motor, adică pentru tratarea surdității și bolilor motorii. În același mod în care am putut sări peste circuitele defecte din retină pentru a ajunge la celulele output din retină putem sări și peste circuite nefuncționale din cohlee pentru a ajunge la nervul auditiv, ori peste zone afectate din cortex, din cortexul motor, pentru a înlocui conexiunile distruse de un atac cerebral.

Doresc să închei cu un simplu mesaj că înțelegerea codului este foarte, foarte importantă. Și dacă înțelegem codul, limbajul creierului, lucruri care nu păreau posibile devin posibile acum. Mulțumesc.

(Aplauze)