Sheila Nirenberg: Prostetično oko za zdravljenje slepote

Na TEDMED-u Sheila Nirenberg predstavi drzen način vrnitve vida osebam z določenimi tipi slepote. Metoda zavzema povezavo na optični živec in pošiljanje signalov iz kamere neposredno v možgane.

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)