Nowy implant dla niewidomych wbija się bezpośrednio do mózgu

Potencjały czynnościowe neuronów Russ Juskalian

Allí, mówi Bernardeta Gómez w swoim ojczystym języku hiszpańskim, wskazując na dużą czarną linię biegnącą przez białą kartkę tekturową podpartą przed nią na wyciągnięcie ręki. Tam .

Nie jest to imponujący wyczyn jak na 57-letnią kobietę — z wyjątkiem tego, że Gomez jest niewidomy. I jest taka od ponad dekady. Kiedy miała 42 lata, toksyczna neuropatia nerwu wzrokowego zniszczyła wiązki nerwów, które łączą oczy Gomeza z jej mózgiem, czyniąc ją całkowicie pozbawioną wzroku. Nie jest w stanie nawet wykryć światła.

Ale po 16 latach ciemności, Gómez dostała sześciomiesięczne okno, podczas którego mogła zobaczyć pozory świata w bardzo niskiej rozdzielczości, reprezentowane przez świecące biało-żółte kropki i kształty. Było to możliwe dzięki zmodyfikowanej parze okularów, zaciemnionej i wyposażonej w maleńki aparat. Urządzenie jest podłączone do komputera, który przetwarza przekaz wideo na żywo, zamieniając go na sygnały elektroniczne. Kabel zawieszony pod sufitem łączy system z portem osadzonym w tylnej części czaszki Gomez, który jest podłączony do 100-elektrodowego implantu w korze wzrokowej z tyłu jej mózgu.

Bernardeta Gómez w okularach z aparatami. Niestety nie ma już implantu mózgowego, który nadal jest urządzeniem tymczasowym. Russ Juskalian

Korzystając z tego, Gómez zidentyfikował lampy sufitowe, litery, podstawowe kształty wydrukowane na papierze i ludzi. Grała nawet w prostą grę komputerową, podobną do Pac-Mana, wprowadzoną bezpośrednio do jej mózgu. Przez cztery dni w tygodniu, przez cały czas trwania eksperymentu, Gomez była prowadzona przez swojego widzącego męża do laboratorium i podłączona do systemu.

Pierwszy moment, w którym Gomez zobaczył, pod koniec 2018 roku, był kulminacją dziesięcioleci badań prowadzonych przez Eduardo Fernandeza, dyrektora neuroinżynierii na Uniwersytecie Miguela Hernandeza w Elche w Hiszpanii. Jego cel: przywrócić wzrok jak największej liczbie z 36 milionów niewidomych na całym świecie, którzy chcą widzieć ponownie. Podejście Fernandeza jest szczególnie ekscytujące, ponieważ omija oko i nerwy wzrokowe.

Znacznie wcześniejsze badania próbowały przywrócić wzrok poprzez stworzenie sztucznego oka lub siatkówki. To zadziałało, ale zdecydowana większość osób niewidomych, takich jak Gomez, ma uszkodzony układ nerwowy łączący siatkówkę z tyłem mózgu. Sztuczne oko nie rozwiąże ich ślepoty. Dlatego w 2015 r. firma Second Sight, która uzyskała zgodę na sprzedaż sztucznej siatkówki w Europie w 2011 r., a w USA w 2013 r., na rzadką chorobę zwaną barwnikowym zwyrodnieniem siatkówki, przeniosła dwie dekady pracy z siatkówki na korę. . (Second Sight mówi, że nieco ponad 350 osób używa implantu siatkówkowego Argus II.)

Podczas niedawnej wizyty w wysadzanym palmami Elche Fernandez powiedział mi, że postęp w technologii implantów i lepsze zrozumienie ludzkiego układu wzrokowego dały mu pewność, że udaje się prosto do mózgu. Mówi, że informacje w układzie nerwowym to te same informacje, które znajdują się w urządzeniu elektrycznym

Przywracanie wzroku poprzez przesyłanie sygnałów bezpośrednio do mózgu jest ambitne. Ale podstawowe zasady są wykorzystywane w implantach ludzko-elektronicznych w medycynie głównego nurtu od dziesięcioleci. W tej chwili, wyjaśnia Fernandez, mamy wiele urządzeń elektrycznych wchodzących w interakcję z ludzkim ciałem. Jednym z nich jest rozrusznik serca. A w układzie sensorycznym mamy implant ślimakowy.

Eduardo Fernandez Russ Juskalian

To ostatnie urządzenie jest słuchową wersją protezy Fernandez zbudowanej dla Gómeza: zewnętrzny mikrofon i system przetwarzania, który przesyła sygnał cyfrowy do implantu w uchu wewnętrznym. Elektrody implantu wysyłają impulsy prądu do pobliskich nerwów, które mózg interpretuje jako dźwięk. Implant ślimakowy, który po raz pierwszy został zainstalowany u pacjenta w 1961 roku, pozwala ponad pół milionowi ludzi na całym świecie prowadzić rozmowy jako normalny element codziennego życia.

Berna była naszym pierwszym pacjentem, ale w ciągu najbliższych kilku lat zainstalujemy implanty jeszcze pięciu osobom niewidomym, mówi Fernandez, która nazywa Gomez po imieniu. Przeprowadziliśmy podobne eksperymenty na zwierzętach, ale kot czy małpa nie potrafią wyjaśnić, co widzi.

Berna mogłaby.

Jej eksperyment wymagał odwagi. Instalacja implantu wymagała operacji mózgu na zdrowym ciele – zawsze ryzykowna procedura. A potem znowu, aby usunąć ją sześć miesięcy później, ponieważ proteza nie jest zatwierdzona do długotrwałego użytkowania.

Napady padaczkowe i phosphenes

Słyszę Gomeza, zanim ją zobaczę. Jej głos to głos kobiety o dziesięć lat młodszej od jej wieku. Jej słowa są miarowe, jej kadencja jest idealnie gładka, a jej ton jest ciepły, pewny siebie i stabilny.

Kiedy w końcu widzę ją w laboratorium, zauważam, że Gomez tak dobrze zna układ przestrzeni, że prawie nie potrzebuje pomocy w poruszaniu się po małym korytarzu i przylegających do niego pokojach. Kiedy podchodzę, żeby się z nią przywitać, twarz Gomeza początkowo wskazuje w złym kierunku, dopóki się nie przywitam. Kiedy wyciągam rękę, by uścisnąć jej dłoń, jej mąż kieruje jej rękę do mojej.

Gomez jest tutaj na rezonans magnetyczny mózgu, aby zobaczyć, jak wszystko wygląda pół roku po usunięciu implantu (wyglądają dobrze). Jest tu również po to, aby spotkać się z potencjalnym drugim pacjentem, który jest w mieście i na sali podczas mojej wizyty. W pewnym momencie tego spotkania, gdy Fernandez wyjaśnia, w jaki sposób sprzęt łączy się z czaszką, Gómez przerywa dyskusję, przechyla się do przodu i kładzie rękę prospekta z tyłu głowy, gdzie kiedyś był metalowy wylot. Dziś praktycznie nie ma dowodów na port. Jak mówi, operacja wszczepienia implantu przebiegła tak spokojnie, że następnego dnia przyszła do laboratorium, żeby się podłączyć i rozpocząć eksperymenty. Od tego czasu nie miała żadnych problemów ani bólu.

Gomez miał szczęście. Długa historia eksperymentów prowadzących do jej udanego implantu ma burzliwą przeszłość. W 1929 roku niemiecki neurolog nazwiskiem Otfrid Foerster odkrył, że może wywołać białą kropkę w wizji pacjenta, jeśli włoży elektrodę do kory wzrokowej mózgu podczas operacji. Nazwał to zjawisko fosfenem. Od tego czasu naukowcy i autorzy science fiction wyobrazili sobie potencjał protezy wizualnej aparatu, komputera i mózgu. Niektórzy badacze budowali nawet podstawowe systemy.

Na początku XXI wieku hipoteza stała się rzeczywistością, kiedy ekscentryczny badacz biomedyczny William Dobelle zainstalował taką protezę w głowie eksperymentalnego pacjenta.

W 2002 roku pisarz Steven Kotler wspominał z przerażeniem, jak Dobelle podkręca prąd, a pacjent upada na podłogę wijąc się w ataku. Przyczyną była zbyt duża stymulacja zbyt dużym prądem – coś, jak się okazuje, mózg nie lubi. Pacjenci Dobelle mieli również problemy z infekcjami. Jednak Dobelle reklamował swoje nieporęczne urządzenie jako prawie gotowe do codziennego użytku, wraz z filmem promocyjnym, na którym niewidomy mężczyzna jedzie powoli i chwiejnie po zamkniętym parkingu. Kiedy Dobelle zmarł w 2004 roku, jego proteza też.

W przeciwieństwie do Dobelle, który ogłosił lekarstwo dla niewidomych, Fernandez prawie cały czas mówi rzeczy w stylu: „Nie chcę mieć żadnych nadziei” i Mamy nadzieję, że będziemy mieli system, z którego będą mogli korzystać ludzie, ale w tej chwili przeprowadzamy tylko wczesne eksperymenty .

Ale Gomez rzeczywiście widział.

Łóżko gwoździ

Jeśli podstawowa idea stojąca za wzrokiem Gomeza – podłączenie kamery do kabla wideo do mózgu – jest prosta, szczegóły nie są. Fernandez i jego zespół najpierw musieli wymyślić część kamery. Jaki sygnał wytwarza ludzka siatkówka? Aby spróbować odpowiedzieć na to pytanie, Fernandez pobiera ludzkie siatkówki od osób, które niedawno zmarły, podłącza je do elektrod, wystawia na działanie światła i mierzy, co uderza w elektrody. (Jego laboratorium ma bliskie relacje z lokalnym szpitalem, który czasami dzwoni w środku nocy, gdy umiera dawca narządów. Ludzka siatkówka może być utrzymywana przy życiu tylko przez około siedem godzin). Jego zespół wykorzystuje również uczenie maszynowe, aby dopasować elektryczne wyjście siatkówki do prostych wejść wizualnych, co pomaga im napisać oprogramowanie automatycznie naśladujące ten proces.

Następnym krokiem jest odebranie tego sygnału i dostarczenie go do mózgu. W protezie, którą Fernandez zbudował dla Gómeza, połączenie kablowe biegnie do powszechnego neuroimplantu znanego jako macierz Utah, który jest po prostu mniejszy niż wypukła końcówka na dodatnim końcu baterii AAA. Z implantu wystaje 100 maleńkich kolców elektrod, każdy o wysokości około milimetra — razem wyglądają jak miniaturowe łoże gwoździ. Każda elektroda może dostarczyć prąd do jednego do czterech neuronów. Po włożeniu implantu elektrody przebijają powierzchnię mózgu; po usunięciu w otworach tworzy się 100 maleńkich kropelek krwi.

Wszczepiona macierz ma 100 elektrod i przypomina maleńkie łożysko gwoździ. Fernández

Fernandez musiała kalibrować jedną elektrodę na raz, wysyłając jej coraz silniejsze prądy, dopóki Gomez nie zauważył, kiedy i gdzie zobaczyła fosfen. Wybranie wszystkich 100 elektrod zajęło ponad miesiąc.

Zaletą naszego podejścia jest to, że elektrody matrycy wystają do mózgu i znajdują się blisko neuronów, mówi Fernandez. Dzięki temu implant może wytwarzać wzrok przy znacznie niższym prądzie elektrycznym niż był potrzebny w systemie Dobelle, co znacznie zmniejsza ryzyko napadów.

Dużym minusem protezy – i głównym powodem, dla którego Gomez nie mógł utrzymać jej dłużej niż sześć miesięcy – jest to, że nikt nie wie, jak długo mogą wytrzymać elektrody bez degradacji implantu ani mózgu użytkownika. Układ odpornościowy organizmu zaczyna rozkładać elektrody i otaczać je bliznami, co ostatecznie osłabia sygnał, mówi Fernandez. Pojawia się również problem zginania elektrod, gdy ktoś się porusza. Sądząc po badaniach na zwierzętach i wczesnym spojrzeniu na macierz używaną przez Gómeza, przypuszcza, że ​​obecna konfiguracja może trwać od dwóch do trzech lat, a być może nawet do 10 lat, zanim się nie powiedzie. Fernandez ma nadzieję, że kilka drobnych poprawek przedłuży ten okres o kilka dziesięcioleci – co jest krytycznym warunkiem wstępnym dla sprzętu medycznego, który wymaga inwazyjnej operacji mózgu.

Ostatecznie proteza, podobnie jak implant ślimakowy, będzie musiała bezprzewodowo przesyłać sygnał i moc przez czaszkę, aby dotrzeć do elektrod. Ale na razie jego zespół do tej pory pozostawił protezę okablowaną do eksperymentów – zapewniając największą elastyczność w ciągłym aktualizowaniu sprzętu przed podjęciem decyzji o projekcie.

Przy rozdzielczości 10 na 10 pikseli, czyli mniej więcej maksymalnej potencjalnej rozdzielczości, jaką implant Gomeza może renderować, można dostrzec podstawowe kształty, takie jak litery, rama drzwi lub chodnik. Ale kontury twarzy, nie mówiąc już o osobie, są znacznie bardziej skomplikowane. Dlatego Fernandez rozszerzył swój system o oprogramowanie do rozpoznawania obrazów, aby identyfikować osobę w pokoju i przesyłać do mózgu Gomeza wzór fosfenów, który nauczyła się rozpoznawać.

Przy 25 na 25 pikselach, jak pisze Fernandez na slajdzie, który lubi przedstawiać, widzenie jest możliwe. A ponieważ macierz Utah w obecnej formie jest tak mała i wymaga tak małej mocy do działania, Fernandez mówi, że nie ma żadnego technicznego powodu, dla którego jego zespół nie mógłby zainstalować czterech do sześciu po każdej stronie mózgu, oferując widzenie w rozdzielczości 60 x 60 pikseli lub wyższy. Mimo to nikt nie wie, ile wkładu ludzkiego mózg może pobrać z takich urządzeń, nie będąc przytłoczonym i wyświetlając odpowiednik telewizyjnego śniegu.

Jak to wygląda

Fernandez i jego doktorant z prototypową kamerą podłączoną do komputera. Russ Juskalian

Gómez powiedział mi, że zachowałaby zainstalowany implant, gdyby dano jej wybór, i że będzie pierwsza w kolejce, jeśli dostępna będzie zaktualizowana wersja. Kiedy Fernandez kończy analizę swojej tablicy, Gómez planuje oprawić ją w ramkę i powiesić na ścianie w swoim salonie.

Wróciwszy do laboratorium Fernandeza, proponuje, że podłączy mnie do nieinwazyjnego urządzenia, którego używa do badania pacjentów.

Siedząc w tym samym skórzanym fotelu, który Gomez zajmował podczas zeszłorocznego przełomowego eksperymentu, czekam, aż neurolog przyłoży mi różdżkę z dwoma pierścieniami do boku głowy. Urządzenie, zwane cewką motylkową, jest połączone z pudełkiem, które pobudza neurony w mózgu silnym impulsem elektromagnetycznym – zjawisko zwane przezczaszkową stymulacją magnetyczną. Pierwsze uderzenie sprawia wrażenie, jakby ktoś wstrząsał moją skórą głowy. Moje palce mimowolnie zwijają się w dłonie. Spójrz, zadziałało! mówi Fernandez, chichocząc. To była twoja kora ruchowa. Teraz postaramy się podać Ci trochę fosfenów.

Neurolog zmienia położenie różdżki i ustawia maszynę na szybką serię impulsów. Tym razem, kiedy odpala, czuję intensywność zzp-zzp-zzp , jakby ktoś używał tylnej części mojej czaszki jako kołatki do drzwi. Potem, mimo że moje oczy są szeroko otwarte, coś widzę: jasna pozioma linia przelatuje przez środek mojego pola widzenia wraz z dwoma migoczącymi trójkątami wypełnionymi czymś, co wygląda jak telewizyjny śnieg. Wizja znika tak szybko, jak się pojawiła, pozostawiając krótką poświatę.

To jest właśnie to, co widziała Berna, mówi Fernandez. Tyle że jej wzrok na świat był stabilny, dopóki sygnał był przesyłany do jej mózgu. Mogła też odwrócić głowę i w okularach rozejrzeć się po pokoju. To, co widziałem, to jedynie wewnętrzne fantomy elektrycznie pobudzonego mózgu. Gomez mogła rzeczywiście dotknąć i dotknąć świata, na który patrzyła po raz pierwszy od 16 lat.

ukryć