Pri svojem delu preučujem, kako možgani
obdelujejo podatke oz. kako podatke
iz zunanjega sveta spremenijo
v vzorce električne dejavnosti
in kako nam preko teh vzorcev
omogočajo, da vidimo,
slišimo ali sežemo po predmetu.
Moje preučevanje je zastavljeno osnovno,
ne klinično, a v zadnjem letu in pol
sem se preusmerila v uporabo
ugotovitev o teh vzorcih delovanja
za razvoj prostetičnih naprav
in danes bi vam rada predstavila
primer take naprave.
To je naš prvi tak podvig.
Gre za razvoj prostetične naprave
za zdravljenje slepote.
Naj začnem s tem problemom.
V ZDA je 10 milijonov ljudi,
po svetu pa še mnogo več, ki so slepi
ali pa se s slepoto soočajo zaradi
bolezni očesne mrežnice,
kot je degeneracija rumene pege,
a zanje ni veliko upanja.
Obstajajo sicer zdravila, ki pa
učinkujejo le na majhnem delu ljudi.
Za veliko večino bolnikov je torej
največ upanja za obnovo vida
prav v prostetičnih napravah.
Težava pa je, da trenutno obstoječe
protetične naprave niso zelo učinkovite.
Podobe, ki jih omogočajo, so še vedno zelo omejene.
Preko takih naprav lahko
bolniki vidijo preproste stvari, kot so
močna svetloba ali visoki kontrasti,
a ne veliko več, zato ne omogočajo
primerljivosti z normalnim vidom.
Danes vam bom pripovedovala o napravi,
ki jo razvijamo in za katero menim,
da lahko predstavlja napredek
in je precej bolj učinkovita,
zato bi vam rada pokazala, kako deluje.
Za začetek pa naj pokažem,
kako deluje zdrava očesna mrežnica,
da boste videli težavo,
ki jo poskušamo rešiti.
V sredini je očesna mrežnica.
Imamo sliko, mrežnico in možgane.
Ko nekaj vidite, v tem primeru sliko
otroškega obraza, se podoba projicira
na vaši mrežnici, na prvi vrsti celic
oz. fotoreceptorjih.
Nato živčno vezje na mrežnici
oz. srednji del to podobo obdela,
z njo upravlja
in iz nje zbere podatke,
ki jih spremeni v kodo.
Koda se v obliki vzorcev
električnih signalov prenese v možgane,
ključnega pomena je torej,
da se podoba pretvori v kodo.
Izraz kodo v tem primeru
pomeni dobesedno to.
Ta vzorec signalov pomeni "otroški obraz"
in ko ga možgani sprejmejo,
izvejo, da smo videli
otroški obraz
in bi ob drugačnem vzorcu izvedeli,
da smo videli, na primer, psa,
ob spet drugačnem pa morda hišo.
Razumete, kaj želim povedati.
V resničnem življenju je seveda vse gibljivo
in se stalno spreminja,
zato se tudi vzorci signalov nenehno spreminjajo
hkrati s svetom, ki ga gledamo
in ki se prav tako stalno spreminja.
Gre torej za zapleteno stvar.
Ti vzorci signalov iz vaših oči
vsako milisekundo sporočajo
vašim možganom, kaj vidite.
Kaj pa se zgodi, ko oseba zboli za
degenerativno boleznijo,
kot je degeneracija rumene pege?
V tem primeru celice v ospredju
oz. fotoreceptorji odmrejo
in sčasoma odmrejo tudi vse celice
in vezja, ki so z njimi povezana.
Na koncu ostanejo le še te celice,
izhodne celice, ki pošiljajo
signale možganom,
a zaradi neaktivnih celic pred njimi
ni več niti signalov.
Ker ničesar ne sprejemajo,
tudi možgani ne prejmejo
nobenih vizualnih podatkov,
kar povzroči slepoto.
Rešitev tega problema bi torej bil
razvoj naprave, ki bi posnemala
dejanja živčnih vezij v ospredju
in pošiljala signale izhodnim celicam mrežnice,
ki bi lahko nadaljevale z običajnim
pošiljanjem signalov možganom.
S tem smo se torej ukvarjali
in tako deluje naša prostetična naprava.
Sestavljena je iz dveh delov, ki jim pravimo
kodirnik in pretvornik.
Naloga kodirnika je torej, kot rečeno,
posnemanje dejavnosti sprednjih
vezij mrežnice -- sprejemanje podob
in njihovo pretvarjanje v kodo na mrežnici.
Pretvornik nato omogoči
izhodnim celicam,
da pošljejo kodo v možgane,
rezultat tega je torej prostetična mrežnica,
ki lahko izvede običajen prenos podatkov na mrežnici.
To omogoči tudi popolnoma slepi mrežnici,
celo taki brez sprednjih vezij,
brez fotoreceptorjev,
da v možgane pošlje normalne signale,
ki jih lahko možgani razumejo.
Nobena druga naprava
še ni tega omogočala.
Rada bi povedala še
stavek ali dva
o kodirniku in njegovem delu,
saj gre za ključen del,
ki je zanimiv in na nek način kul.
Morda "kul" ni ravno prava beseda,
a vseeno razumete, kaj želim povedati.
Naloga kodirnika je torej, da nadomesti
bistvo živčnih vezij na mrežnici
z vrsto enačb,
ki jih lahko vnesemo na čip.
Gre torej za čisto matematiko.
Z drugimi besedami, ne gre dobesedno za
nadomeščanje sestavnih delov mrežnice.
Ne razvijamo majčkene napravice
za vsako od različnih tipov celic.
Le povzeli smo način,
kako mrežnica upravlja vrsto enačb.
Na nek način te enačbe predstavljajo
neke vrste kodirno knjigo.
Ko podoba vstopi, gre preko vrste enačb,
njen izid pa so tokovi električnih signalov,
taki, kot bi nastali na zdravi mrežnici.
Naj zdaj preidem od besed k dejanjem
in vam pokažem,
da lahko dejansko ustvarimo običajen podatek
in kako lahko to uporabimo.
Tu imamo tri različne vzorce signalov.
Zgornji predstavlja signale pri zdravi živali,
srednji signale pri slepi, ki jo zdravimo
z našo napravo s kodirnikom in pretvornikom,
spodnja pa predstavlja
signale pri slepi živali, ki jo zdravimo
z običajno prostetično napravo.
Gre za najsodobnejšo prostetično
napravo, ki je trenutno na voljo,
in ki jo sestavljajo detektorji svetlobe,
ne pa tudi kodirnik.
Predvajali smo posnetke vsakdanjih stvari --
ljudi, otrok, klopi v parku --
stvari okoli nas
in beležili odzive mrežnic
teh treh skupin živali.
Za boljšo predstavo, vsak okvir prikazuje
vzorce signalov večih celic
in tako kot ste videli prej,
vsaka vrsta predstavlja drugačne celice,
signali pa so nekoliko skrajšani in zoženi,
da lahko prikažem
širši obseg podatkov.
Kot vidite, vzorci signalov pri
slepi živali, ki jo zdravimo s sistemom
kodirnika in pretvornika,
so zelo podobni običajnim vzorcem --
niso identični, a je podobnost velika --
medtem ko se signali pri živali,
zdravljeni z običajnimi prostetiki,
od zdravih precej razlikujejo.
Pri običajni metodi
celice širijo signale,
ki pa ne tvorijo običajnega vzorca signalov,
ker nimajo prave kode.
Kako pomembno je to?
Kako lahko to odkritje vpliva
na bolnikove možnosti, da spet vidi?
Namesto odgovora vam bom pokazala
bistveni poskus,
seveda pa imam še veliko drugih podatkov,
ki jih z veseljem delim z vami,
če vas zanimajo.
Gre za poskus rekonstrukcije.
Pri tem smo se osredotočili na
določen trenutek v teh posnetkih in se vprašali,
kaj v tem trenutku mrežnica zaznava?
Ali lahko obnovimo podatke,
ki jih mrežnica zazna
iz odziva na vzorce signalov?
Zanimali so nas odzivi
pri običajni metodi
ter pri našem kodirniku in pretvorniku.
Za začetek naj vam pokažem
izsledke pri običajni metodi.
Vidite, da je podoba zelo nejasna
in ker vzorci signalov
niso v pravi kodi,
možganom zelo omejeno poročajo o videnem.
Vidite, da gre za nek predmet,
a ne veste, za kaj točno gre,
kar zopet povzema to,
o čemer sem govorila na začetku,
namreč da pri običajni metodi
bolniki zaznavajo le visoke kontraste
in svetlobo, največkrat pa je to vse.
Kaj je torej na sliki?
Otroški obraz.
Kaj pa se zgodi pri našem pristopu
in uporabi dodane kode?
Vidite, da je dosti bolje. Ne samo,
da zaznate, da gre za otroški obraz,
pač pa, da gre za točno določenega otroka,
kar je še posebej zahtevna naloga.
Slika v sredini na levi predstavlja le kodirnik,
desna slika pa dejanski prikaz na slepi mrežnici,
torej kombinacijo kodirnika in pretvornika.
Ključen pa je predvsem kodirnik,
saj ga lahko priključimo na
drugačen pretvornik.
Tu vidimo le primer prvega, ki smo ga uporabili.
Želela bi povedati nekaj o običajni metodi.
Ko so jo razvili, je bila navdušujoča
misel, da se lahko omogoči
odzivanje celo slepi mrežnici.
Obstajala pa je tudi omejitev,
in sicer problem kode ter vprašanje,
kako izboljšati odziv celic,
da bi bil čim bližje običajnemu
in temu smo se posvetili mi.
Želela bi povzeti povedano
in -- kot že rečeno --
lahko z vami delim še veliko drugih podatkov,
a danes sem želela le predstaviti
to osnovno zamisel
sposobnosti sporazumevanja
z možgani v njihovem jeziku
in pomen te možnosti za bolnike.
Gre torej za drugačen način od motoričnih prostetikov,
pri katerih sporazumevanje poteka
od možganov do naprave.
V našem primeru pa iz okolice pošiljamo
signale v možgane,
kjer jih dešifriramo in razumemo.
Kot zaključek
sem želela izpostaviti
možnost posplošitve te metode.
Enako strategijo, kot smo jo uporabili
za iskanje kode za mrežnico,
lahko uporabimo za iskanje kode za druga področja,
na primer slušni ali motorični sistem,
torej za zdravljenje gluhosti
in motoričnih okvar.
Na enak način, kot smo
preskočili okvarjena vezja v mrežnici
in prešli na izhodne celice mrežnice,
lahko tudi preskočimo
okvarjena vezja v ušesnem polžu
in preidemo na slušne živce,
ali pa preskočimo okvarjena področja v
motorični skorji možganov in tako
premagamo vrzel, nastalo po možganski kapi.
Želela bi končati s preprostim sporočilom,
da je razumevanje kode
resnično izjemnega pomena
in če razumemo kodo
oz. jezik možganov, lahko omogočimo stvari,
ki se prej niso zdele mogoče.
Hvala lepa.
(Aplavz)