Шейла Ниренберг: Глазной протез для лечения слепоты

Я изучаю, каким образом мозг перерабатывает информацию. То есть, как он получает информацию из внешнего мира и преобразует её в электрическую активность, и как потом использует её для того, чтобы позволить вам видеть, слышать, брать предметы. Я на самом деле обычный учёный, а не практикующий врач, но в последние полгода я начала переключаться, использовать мои знания о моделях этой активности для создания протезов, и сегодня я хочу показать вам образец одного из них. Это наша первая попытка его создания. Речь идёт о создании протеза для лечения слепоты.

Давайте начнём с обзора этой проблемы. Около 10 миллионов людей в США и ещё больше по всему миру либо потеряли зрение, либо находятся на грани его потери из-за таких болезней сетчатки, как дегенерация желтого пятна; немного можно сделать для их лечения. Есть медикаментозное лечение, но оно эффективно только для малого процента населения. Поэтому для большинства пациентов надеждой на восстановление зрения являются протезы. Проблема в том, что современные протезы плохо работают. Они всё ещё очень ограничены в способности воссоздавать зрение. Так, мы знаем, что при их помощи пациенты могут видеть простейшие вещи, такие как яркий свет или высококонтрастные края, но не более того, поэтому что-либо, хоть немного похожее на нормальное зрение было невозможным.

Сегодня я расскажу вам об устройстве, над которым мы работаем, которое, на мой взгляд, способно оказать большое влияние и быть намного более эффективным; и я хотела бы показать вам, как оно работает. Позвольте мне на слайдах показать работу нормальной сетчатки, и вы сможете понять проблему, которую мы пытаемся решить. Вот она, сетчатка. Это происходит так: рисунок — сетчатка — мозг. Когда вы смотрите на что-либо, например, на это изображение лица ребёнка, оно попадает в глаз и опускается на сетчатку, на фронтальные клетки, фоторецепторы. Затем компонент сетчатки, её средний слой, начинает работу и проделывает операции с изображением, извлекая из него информацию, преобразовывая её в код. Код представляет собой электрические импульсы, посылаемые в мозг; так, суть процесса в том, что изображение в конце концов преобразуется в код. И, называя его кодом, я буквально имею в виду код. Именно этот набор импульсов означает — «лицо ребёнка», поэтому, когда мозг получает этот набор импульсов, он понимает, что там было именно лицо ребёнка, и если бы он получил другой набор, он бы понял, что там была, скажем, собака, или другой набор означал бы дом. Думаю, идея ясна.

И, конечно, в реальной жизни всё это динамично, всё постоянно изменяется, и наборы импульсов меняются непрерывно, ведь созерцаемый вами мир тоже постоянно меняется. Поэтому это довольно сложный процесс. Наборы импульсов выходят из ваших глаз каждую миллисекунду, сообщая мозгу о том, что вы видите. Что же происходит, когда человек страдает дегенеративным заболеванием сетчатки вроде дистрофии жёлтого пятна? Происходит следующее: фронтовые клетки отмирают, фоторецепторы отмирают, и со временем все связанные с ними клетки других слоёв тоже отмирают. Пока не останутся только лишь вот эти клетки, периферические клетки, посылающие сигналы в мозг; но из-за всей этой дистрофии они больше не посылают сигналы. Они ничего не получают на входе, поэтому человеческий мозг больше не получает никакой визуальной информации — одним словом, человек теряет зрение.

Решением проблемы было бы создание прибора, имитирующего действия фронтального слоя, посылающего сигналы клеткам на выходе сетчатки, чтобы они могли возобновить работу по отправке сигналов в мозг. Вот над чем мы продолжаем работать, и вот как работает наш протез. Он состоит из двух частей, мы называем их кодер и передатчик. Кодер делает буквально следующее: он имитирует действия фронтального слоя сетчатки — принимает изображения и преобразует их в код сетчатки. Затем передатчик заставляет клетки на выходе посылать код в мозг, что в итоге позволяет протезу сетчатки работать как нормальная сетчатка. Так, абсолютно невидящая сетчатка, даже абсолютно без фронтальных клеток и фоторецепторов, способна теперь посылать обычные сигналы, понятные головному мозгу. Ни одно другое устройство не было способно на это.

Хорошо, сейчас я хочу сказать пару слов о кодере и его работе, т.к. это основная часть, она интересная и довольно клёвая. Я не уверена, что «клёвая» — самое подходящее слово, но, надеюсь, вы понимаете, о чём я. Кодер делает следующее: он заменяет центральный слой сетчатки, внутренность сетчатки, набором формул, который мы можем поместить на чип. Это простая математика. Другими словами, мы не буквально заменяем компоненты сетчатки. Мы не делаем мини-устройства для каждого типа клеток. Мы абстрагировали работу сетчатки при помощи формул. Так, в какой-то степени формулы служат в качестве кодовой книги. Изображение попадает внутрь, проходит через набор формул, и на выходе получаются электрические импульсы, которые мы бы получили от здоровой сетчатки.

Позвольте мне подкрепить мои слова делом и показать вам, что мы на самом деле можем иметь нормальный выход, и какие у этого последствия. Вот три варианта рабочей модели. Первая представляет здоровое животное, средняя — слепое животное после лечения при помощи кодера-передатчика, и нижняя модель представляет слепое животное со стандартным протезом. Нижняя модель — это передовое устройство, используемое в настоящий момент, созданное при помощи фотодатчиков, но без кодера. Мы сделали следующее: мы показали видео повседневных вещей — людей, детей, скамеек в парке, обычных происходящих вещей — и записали реакцию сетчатки у каждой из этих трёх групп животных. Идея такова: каждый прямоугольник показывает рабочую модель нескольких клеток, и, как и на предыдущих слайдах, каждый ряд отвечает за определённую клетку. Я немного уменьшила импульсы и сделала их тоньше, чтобы показать вам длинный участок информации.

Как вы можете наблюдать, рабочая модель слепого животного с кодером-передатчиком очень похожа на здоровую рабочую модель — она не идеальна, но довольно хороша — модель же слепого животного, имеющего стандартный протез, не имеет такого эффекта. При стандартном методе клетки работают, но не достигают эффекта нормальной рабочей модели, т.к. у них нет нужного кода. Насколько это важно? Насколько это может повлиять на способность пациента видеть? Сейчас я покажу вам один окончательный эксперимент, который отвечает на эти вопросы. Конечно, у меня есть и другая информация, так что если вам интересно, я рада буду её показать. Этот эксперимент называется реконструкцией. Мы взяли один момент из записи и спросили: что именно сетчатка видела в тот момент? Можем ли мы вычислить, что сетчатка видела, исходя из реакции рабочей модели?

Мы проделали это для получения реакции от стандартного метода и от нашего кодера-передатчика. Позвольте показать вам, я начну со стандартного метода. Вы можете видеть, что он довольно ограничен, и поскольку рабочая модель нужный код, она ограничена в представлении того, что мы должны видеть. Вы можете видеть что-то, но изображение абсолютно нечёткое, неясно, что это; это ещё раз подтверждает мои слова вначале: при помощи стандартного метода пациенты могут видеть лишь высококонтрастные края, свет, но не более того. Что же это за изображение? Это лицо ребёнка. Что если мы к нашему методу добавим код? Вы можете видеть значительное улучшение. Вы не только можете различить лицо ребёнка, но и определить, что это лицо именно этого ребёнка, а это довольно сложная задача. Слева находится лишь кодер, справа же — сама незрячая сетчатка, кодер и передатчик. Главным же является кодер, ведь мы можем подсоединить его к другому передатчику.

Это всего лишь первый вариант, который мы опробовали. Я бы хотела сказать пару слов о стандартном методе. Когда он только появился, он был потрясающ, мы были рады, что слепая сетчатка может в принципе реагировать. Но нас ограничивало отсутствие кода, мы хотели улучшить реакцию клеток, создать нормальную реакцию, это и стало нашим достижением. В заключение хочу сказать, как я уже упомянула, у меня, конечно, есть много других материалов, если вам интересно; но я бы хотела остановиться на главной идее: мы можем общаться с мозгом на его языке и имеем потенциальную возможность делать это. Это отличается от моторного протеза, в котором общение происходит от мозга к прибору. Здесь нам нужно передавать информацию из внешнего мира в мозг и быть понятыми, мозг должен нас понять.

Последнее, о чём я бы хотела сказать, я бы хотела подчеркнуть, что идея может быть обобщена. Так, ту же стратегию, что мы используем при поиске кода для сетчатки, мы можем использовать и при поиске кода для других областей, например, для слухового аппарата и двигательной системы, для лечения глухоты и моторных нарушений. Таким же образом, как мы смогли обойти повреждённую область сетчатки, чтобы добраться до её клеток на выходе, мы можем обойти повреждённую область ушной улитки, чтобы добраться до слухового нерва, или же обойти повреждённые области коры головного мозга в его двигательной зоне, чтобы преодолеть разрыв, вызванный параличом.

Я хотела бы закончить этой простой идеей: понимание кода чрезвычайно важно, если мы сможем понять код, язык мозга, станут возможными вещи, абсолютно невозможные прежде. Спасибо.

(Аплодисменты)