Шейла Ніренберг: протез ока, щоб лікувати сліпоту

Я вивчаю як мозок оброблює інформацію. Тобто, як він приймає інформацію із навколишнього світу, і перетворює її у шаблони електричної активності, і потім, як він використовує ці шаблони, щоб дозволити вам робити певні речі -- щоб бачити, чути, щоб дістатися до об'єкта. Так що я насправді фундаментальний вчений, а не лікар, але в останні рік-півтора я почала переходити, використовувати те, що ми дізнавалися про ці шаблони активності для розробки протезних пристроїв, і сьогодні я хотіла показати вам приклад цього. Це насправді наш перший напад на це. Це розробка протезного пристрою для лікування сліпоти.

Тож дозвольте мені розпочати з цієї проблеми. В США є 10 мільйонів, а в усьому світі набагато більше сліпих людей або тих, хто зтикається з сліпотою через захворювання сітківки, такі захворювання, як дегенерація жовтої плями, і мало що може бути зроблено для них. Існує певне медикаментозне лікування, але воно ефективне лише для невеликої частини населення. А отже, для переважної більшості пацієнтів, їх найбільші надії на відновлення - це через протезні пристрої. Проблема в тому, що нинішні протези не дуже добре працюють. Вони досі дуже обмежені в можливостях забезпечення бачення. І так, ви знаєте, наприклад, з цими пристроями, пацієнти можуть бачити прості речі, такі як яскраве світло і висококонтрастні контури, і не більше, тож нічого схожого на нормальний зір не стало можливим.

Тож, я збираюсь розповісти вам сьогодні про пристрій над яким ми працюємо, котрий, я вважаю, має потенціал змінити ситуацію, бути набагато ефективнішим, і що я хотіла б зробити, це показати вам як він працює. Отже, дозвольте мені повернутися назад трохи і показати вам, як нормальна сітківка працює, щоб ви могли побачити проблему, яку ми намагаємося вирішити. Ось сітківка. Таким чином, ви маєте зображення, сітківку, і мозок. Тому коли ви дивитесь на щось, наприклад на цю фотографію дитячого обличчя, воно надходить до вашого ока і потрапляє на сітківку, на передні клітини тут, фоторецептори. Потім відбувається наступне: схема сітківки, середня частина, починає працювати над цим, і от що вона робить: вона виконує операції над цим, вона витягує інформацію з нього, і і перетворює цю інформацію у код. І код має вигляд цих шаблонів електричних імпульсів, які надсилаються до мозку, і тому головним є те, що зображення в кінцевому рахунку є конвертованим у код. І коли я кажу "код", я буквально маю на увазі код. Як цей шаблон імпульсів тут насправді означає "обличчя дитини", і тому, коли мозок отримую цей шаблон імпульсів, він знає, що те, що було там, було обличчям дитини, і якщо він отримує інший шаблон він буде знати що те, що було там, було, скажімо, собакою, або інший шаблон буде будинком. У будь-якому випадку, ви зрозуміли ідею.

І, звичайно, в реальному житті, це все динамічне, що означає, що воно змінюється постійно, тож схеми імпульсів змінюються постійно, тому що світ, на який ви дивитесь, також постійно змінюється. Отже, ви знаєте, це свого роду складна річ. У вас ці шаблони імпульсів надходять з вашого ока кожну мілісекунду, повідомляючи вашому мозку, що ви бачите. Отже, що трапляється, коли людина має дегенеративне захворбвання сітківки, таке як дегенерація жовтої плями? А відбувається наступне: передні клітини відмирають, фоторецептори відмирають, і з плином часу, всі клітини і ланцюги, що з'єднані з ними, вони відмирають також. Доки єдине, що у вас залишиться - ці клітини тут, вихідні клітини, ті, які посилають сигнал в мозок, але через всю ту дегенерацію вони більше не посилають жодного сигналу у мозок. Вони не отримують жодної вхідної інформаці, тому мозок людини більше не отримує жодної візуальної інформації -- тобто, він або вона сліпа.

Таким чином, вирішенням проблеми була б побудова пристрою, який міг би імітувати дії передніх схем і надсилати сигнали до вихідних клітин сітківки, і вони можуть повернутися до виконання їх нормальної роботи надсилання сигналів до мозку. Так що це те, над чим ми працюємо, і це те, що робить наш протез. Отже, він складається з двох частин, які ми називаємо кодувальником та датчиком. І отже, кодувальник робить саме те, що я говорила: він імітує дії передніх схем -- так що вони отримують зображення і перевторюють їх у код сітківки. І потім датчик змушує вихідні клітини надсилати код до мозку, і результатом є протези сітківки, які можуть виробляти нормальну вихідну інформацію сітківки. Тож повністю сліпа сітківка, навіть без будь-яких передніх "схем", без фоторецепторів, може тепер відправляти нормальний сигнал, сигнал, котрий мозок зможе зрозуміти. Таким чином жоден інший пристрій не в змозі зробити це.

Добре, тож я тільки хочу додати речення або два, щоб сказати дещо про кодувальник і що він робить, бо це дійсно ключова частина і свого роду цікаво і круто. Я не впевнена, що "круто" дійсно правильне слово, але ви знаєте, що я маю на увазі. Отже, от що він робить: він замінює "схему" сітківки, насправді нутрощі "схеми" сітківки, на систему рівнянь, систему рівнянь, яку ми можемо реалізувати в чіпі. Так що це просто математика. Іншими словами, ми не в буквальному сенсі замінюємо компоненти сітківки. Це не так, наче ми робимо невеликі міні-пристрої для кожного .з різних типів клітин Ми лише абстрагуємо те, що сітківка робить із системою рівнянь. І так, в деякому розумінні, рівняння служать чимось, на зразок кодового словника. Зображення надходить, проходить через систему рівнянь, і виходить потоками електричних імпульсів, такими, які нормальна сітківка виробляла б.

Тепер дозвольте мені відповісти за свої слова і показати вам, що ми можемо дійсно виробляти нормальний вихідний сигнал, і які з цього наслідки. Ось три набори активних шаблонів. Верхній належить нормальній тварині, середній -- сліпій тварині, вилікуваній за допомогою цього кодувальнико-датчикового пристрою, і нижній належить сліпій тварині, вилікуваній за допомогою стандартного протеза. Отже нижній - це найновіший з пристроїв, що існують зараз, який в основному створений на основі приймачів світла, але не кодувальників. Отже, от що ми зробили: ми представили фільми про повсякденні речі -- люди, діти, паркові лавки, знаєте, повсякденні явища -- і ми записали відгуки сітківок цих трьох груп тварин. Тепер, тільки щоб зорієнтувати вас, кожне вікно показує активні шаблони декількох клітин, і так само як у попередніх слайдах, кожен ряд - це інша клітина, і я тільки що зробила імпульси трохи меншими і тоншими, так що я можу показати вам великий відрізок даних.

Отже, як ви можете бачити, активні шаблони сліпої тварини, вилікуваної за допомогою кодувальника-датчика дійсно дуже близько повторюють нормальні активні шаблони-- і це не ідеально, але достатьно добре -- і сліпа тварина, вилікувана за допомогою стандартного протезу, відповідності насправді не має. І тому із стандартними методами, клітини активні, вони тільки не активні за нормальними активними шаблонами, тому що вони не мають нормального коду. Наскільки це важливо? Який потенційний вплив на можливість пацієнта бачити? Отже я просто хочу показати вам один підсумковий експеримент, що відповідає цьому, і, звичайно, я маю багато іншої інформації, тож якщо ви зацікавлені, я буду рада показати більше. Отже експермент називається експериментальною реконструкцією. Отже, що ми зробили, ми взяли момент часу із цього запису і запитали, що сітківка бачила в цей момент? Чи можемо ми реконструювати те, що сітківка бачила з відповідей від активації шаблонів?

Тож, ми зробили це для відповідей зі стандартних методів і з наших кодувальника і датчика. Отже, дозвольте мені показати вам, і я збираюсь розпочати зі стандартних методів спочатку. Так що ви можете бачити, що він доволі обмежений, і тому що активні шаблони не у правильному коді, вони дуже обмежені в тому, що можуть розказати вам про те, що знаходиться ззовні. Тож ви можете бачити, що там щось є, але не ясно, чим саме воно є, і це свого роду повернення до того, що я казала на початку, що із стандартними методами, пацієнти можуть бачити висококонтрастні контури, вони можуть бачити світло, але це не заходить далі ніж це. Тож чим було зображення? Це було обличчя дитини. А що стосовно нашого підходу додавання коду? І ви можете бачити, що це набагато краще. Ви можете не тільки сказати, що це обличчя дитини, ви можете сказати, що це саме це обличчя дитини, що є дійсно складним завданням. Отже, зліва кодувальник сам, і праворуч від фактично сліпої сітківки, тобто енкодер і датчик. Але головним є кодувальник сам, тому що ми можемо об'єднати кодувальник з різними датчиками.

Це насправді перше, що ми спробували. Я тільки хочу сказати дещо про стандартний метод. Коли це вперше з'явилось, це була дійсно захоплююча річ, сама ідея, що ви просто змусили сліпу сітківку відповісти. Але там був цей обмежуючий фактор, питання про код, і як змусити клітини відповідати краще, створювати нормальні відповіді, і так, це був наш внесок. Тепер я хочу лише підбити підсумки, і, як я згадувала раніше, звісно я маю багато іншої інформації якщо ви зацікавлені, але я лише хотіла дати свого роду основну ідею можливості зв'язку із мозком на його мові, і потенційну силу, щоб бути здатним зробити це. Так що це відрізняється від рушійних протезів де ви встановлюєте зв'язок від мозку до пристрою. Тут ми маємо встановити зв'язок із зовнішнього світу до мозку і щоб зрозумів, щоб мозок це зрозумів.

І потім, останнє що я хотіла сказати, дійсно, щоб підкреслити, що ідея узагальнюється. Отже, ту саму стратегію, яку ми використали, щоб знайти код для сітківки ми також можемо використати, щоб знайти код для інших зон, наприклад, слухової системи і опорно-рухової системи, а отже для лікування глухоти і рухових порушень. Тож таким же чином, як ми були в змозі перестрибнути через пошкоджені схеми сітківки, щоб дістатися до вихідних клітин сітківки, ми можемо перестрибнути через пошкоджені схеми у завитці, щоб дістатися до слухового нерва, або перестрибнути через пошкоджені зони у корі, у руховій корі, щоб ліквідувати розрив, викликаний інсультом.

Я тільки хочу закінчити із простим повідомленням, що розуміння коду це дійсно, дійсно важливо, і якщо ми можемо зрозуміти код, мову мозку, стануть можливими речі, які здавалося, не уявлялися можливим раніше. Дякую.

(Аплодисменти)