211service.com
Et nytt implantat for blinde knekker direkte inn i hjernen
Nevronaksjonspotensialer Russ Juskalian
Allí, sier Bernardeta Gómez på spansk som morsmål, og peker på en stor svart strek som går over et hvitt ark med papp som står i armlengdes avstand foran henne. Der .
Det er ikke akkurat en imponerende bragd for en 57 år gammel kvinne – bortsett fra at Gómez er blind. Og slik har hun vært i over et tiår. Da hun var 42, ødela giftig optisk nevropati nervebuntene som forbinder Gómezs øyne med hjernen hennes, og gjorde henne totalt uten syn. Hun klarer ikke engang å oppdage lys.
Men etter 16 år med mørke, fikk Gómez et seks måneders vindu der hun kunne se en svært lavoppløselig fremstilling av verden representert av glødende hvit-gule prikker og former. Dette var mulig takket være et modifisert par briller, mørklagt og utstyrt med et lite kamera. Innretningen er koblet til en datamaskin som behandler en live video-feed, og gjør den om til elektroniske signaler. En kabel hengt opp fra taket kobler systemet til en port innebygd på baksiden av Gómezs hodeskalle som er koblet til et 100-elektrodeimplantat i den visuelle cortex på baksiden av hjernen hennes.
Bernardeta Gómez med brillene med kameraene. Dessverre har hun ikke lenger hjerneimplantatet, som fortsatt er en midlertidig enhet. Russ Juskalian
Ved å bruke dette identifiserte Gómez taklamper, bokstaver, grunnleggende former trykt på papir og mennesker. Hun spilte til og med et enkelt Pac-Man-lignende dataspill direkte inn i hjernen hennes. Fire dager i uken i løpet av eksperimentet ble Gómez ført til et laboratorium av sin seende ektemann og koblet inn i systemet.
Gómez sitt første øyeblikk, på slutten av 2018, var kulminasjonen av flere tiår med forskning av Eduardo Fernandez, direktør for nevroingeniør ved Universitetet i Miguel Hernandez, i Elche, Spania. Hans mål: å få tilbake synet til så mange som mulig av de 36 millioner blinde over hele verden som ønsker å se igjen. Fernandezs tilnærming er spesielt spennende fordi den omgår øyet og optiske nerver.
Mye tidligere forskning forsøkte å gjenopprette synet ved å lage et kunstig øye eller netthinnen. Det fungerte, men de aller fleste blinde, som Gómez, har skader på nervesystemet som kobler netthinnen til baksiden av hjernen. Et kunstig øye vil ikke løse deres blindhet. Det er derfor selskapet Second Sight, som fikk godkjenning til å selge en kunstig netthinnen i Europa i 2011 – og i USA i 2013 – for en sjelden sykdom kalt retinitis pigmentosa, i 2015 byttet to tiår med arbeid fra netthinnen til cortex. . (Second Sight sier at litt mer enn 350 personer bruker Argus II-netthinneimplantatet.)
Under et nylig besøk jeg besøkte Elche med palmer, fortalte Fernandez meg at fremskritt innen implantatteknologi, og en mer raffinert forståelse av det menneskelige synssystemet, har gitt ham selvtilliten til å gå rett til hjernen. Informasjonen i nervesystemet er den samme informasjonen som er i en elektrisk enhet, sier han
Å gjenopprette synet ved å mate signaler direkte til hjernen er ambisiøst. Men de underliggende prinsippene har blitt brukt i human-elektroniske implantater i vanlig medisin i flere tiår. Akkurat nå, forklarer Fernandez, har vi mange elektriske enheter som samhandler med menneskekroppen. En av dem er pacemakeren. Og i sansesystemet har vi cochleaimplantatet.
Eduardo Fernandez Russ Juskalian
Denne sistnevnte enheten er høreversjonen av protesen Fernandez bygget for Gómez: en ekstern mikrofon og prosesseringssystem som overfører et digitalt signal til et implantat i det indre øret. Implantatets elektroder sender strømpulser inn i nærliggende nerver som hjernen tolker som lyd. Cochleaimplantatet, som først ble installert hos en pasient i 1961, lar over en halv million mennesker rundt om i verden ha samtaler som en normal del av hverdagen.
Berna var vår første pasient, men i løpet av de neste par årene skal vi installere implantater i fem blinde til, sier Fernandez, som kaller Gómez ved sitt fornavn. Vi hadde gjort lignende eksperimenter på dyr, men en katt eller en ape kan ikke forklare hva den ser.
Berna kunne.
Eksperimentet hennes tok mot. Det krevde hjernekirurgi på en ellers sunn kropp – alltid en risikabel prosedyre – for å installere implantatet. Og så igjen for å fjerne den seks måneder senere, siden protesen ikke er godkjent for langvarig bruk.
Anfall og fosfener
Jeg hører Gómez før jeg ser henne. Hennes er stemmen til en kvinne som er omtrent et tiår yngre enn hennes alder. Ordene hennes er målte, tråkkfrekvensen hennes er perfekt jevn, og tonen hennes er varm, selvsikker og stødig.
Når jeg endelig ser henne i laboratoriet, legger jeg merke til at Gómez kjenner utformingen av rommet så godt at hun knapt trenger hjelp til å navigere i den lille gangen og tilhørende rom. Når jeg går bort for å hilse på henne, peker ansiktet til Gómez først i feil retning til jeg sier hei. Når jeg strekker ut hånden hennes, fører mannen hennes hånden hennes inn i min.
Gómez er her for en hjerne-MR for å se hvordan ting ser ut et halvt år etter at implantatet hennes ble fjernet (de ser bra ut). Hun er også her for å møte en potensiell andre pasient som er i byen og på rommet under mitt besøk. På et tidspunkt under dette møtet, mens Fernandez forklarer hvordan maskinvaren kobles til hodeskallen, avbryter Gómez diskusjonen, vipper fremover og legger prospektets hånd på bakhodet hennes, der en metalluttak pleide å være. I dag er det praktisk talt ingen bevis for havnen. Implantatoperasjonen var så begivenhetsløs, sier hun, at hun kom til laboratoriet allerede dagen etter for å koble til og starte eksperimentene. Hun har ikke hatt noen problemer eller smerter siden.
Gómez var heldig. Den lange historien med eksperimenter som førte til hennes vellykkede implantat har en rutete fortid. I 1929 oppdaget en tysk nevrolog ved navn Otfrid Foerster at han kunne fremkalle en hvit prikk i synet til en pasient hvis han stakk en elektrode inn i hjernens visuelle cortex mens han gjorde kirurgi. Han kalte fenomenet et fosfen. Forskere og sci-fi-forfattere har siden forestilt potensialet for en kamera-til-datamaskin-til-hjerne visuell protese. Noen forskere bygde til og med rudimentære systemer.
På begynnelsen av 2000-tallet ble det hypotetiske en realitet da en eksentrisk biomedisinsk forsker ved navn William Dobelle installerte en slik protese i hodet på en eksperimentell pasient.
I 2002 husket forfatteren Steven Kotler med gru å se Dobelle skru opp strømmen og en pasient falle til gulvet og vri seg i et anfall. Årsaken var for mye stimulering med for mye strøm - noe, viser det seg, hjernen ikke liker. Dobelles pasienter hadde også problemer med infeksjoner. Likevel markedsførte Dobelle sin klumpete enhet som nesten klar for daglig bruk, komplett med en reklamevideo av en blind mann som kjører sakte og ustø på en lukket parkeringsplass. Da Dobelle døde i 2004, døde protesen hans også.
I motsetning til Dobelle, som proklamerte en kur for blinde, sier Fernandez nesten konstant ting som: Jeg vil ikke ha noen forhåpninger, og Vi håper å ha et system folk kan bruke, men akkurat nå utfører vi bare tidlige eksperimenter .
Men Gómez så faktisk.
Spikerseng
Hvis den grunnleggende ideen bak synet til Gómez – koble et kamera til en videokabel inn i hjernen – er enkel, er det ikke detaljene. Fernandez og teamet hans måtte først finne ut kameradelen. Hva slags signal produserer en menneskelig netthinne? For å prøve å svare på dette spørsmålet, tar Fernandez menneskelige netthinner fra mennesker som nylig har dødd, hekter netthinnene til elektrodene, utsetter dem for lys og måler hva som treffer elektrodene. (Laboratoriet hans har et nært forhold til det lokale sykehuset, som noen ganger ringer midt på natten når en organdonor dør. En menneskelig netthinne kan holdes i live i bare rundt syv timer.) Teamet hans bruker også maskinlæring for å matche retinas elektriske utgang til enkle visuelle innganger, som hjelper dem å skrive programvare for å etterligne prosessen automatisk.
Det neste trinnet er å ta dette signalet og levere det til hjernen. I protesen Fernandez bygget for Gómez, går en kablet forbindelse til et vanlig nevro-implantat kjent som en Utah-array, som bare er mindre enn den hevede spissen på den positive enden av et AAA-batteri. Ut av implantatet stikker det 100 bittesmå elektrodepigger, hver omtrent en millimeter høye – sammen ser de ut som en miniatyrseng av negler. Hver elektrode kan levere en strøm til mellom ett og fire nevroner. Når implantatet settes inn, stikker elektrodene gjennom overflaten av hjernen; når den fjernes, dannes det 100 små dråper blod i hullene.
Den implanterte matrisen har 100 elektroder og ligner en liten seng av spiker. Fernandez
Fernandez måtte kalibrere én elektrode om gangen, og sendte den stadig sterkere strømmer til Gómez la merke til når og hvor hun så en fosfen. Å få alle 100 elektrodene oppringt tok mer enn en måned.
Fordelen med vår tilnærming er at arrayens elektroder stikker inn i hjernen og sitter nærme nevronene, sier Fernandez. Dette lar implantatet produsere syn med mye lavere elektrisk strøm enn det som var nødvendig i Dobelles system, noe som kraftig reduserer risikoen for anfall.
Den store ulempen med protesen – og hovedårsaken til at Gómez ikke kunne beholde sin utover seks måneder – er at ingen vet hvor lenge elektrodene kan vare uten å ødelegge verken implantatet eller brukerens hjerne. Kroppens immunsystem begynner å bryte ned elektrodene og omgir dem med arrvev, som til slutt svekker signalet, sier Fernandez. Det er også problemet med at elektrodene bøyer seg når noen beveger seg rundt. Ut fra forskning på dyr og en tidlig titt på matrisen Gómez brukte, antar han at det nåværende oppsettet kan vare to til tre år, og kanskje opptil 10 før det mislykkes. Fernandez håper noen mindre justeringer vil utvide det til noen tiår - en kritisk forutsetning for et stykke medisinsk maskinvare som krever invasiv hjernekirurgi.
Til slutt vil protesen, som et cochleaimplantat, måtte overføre signalet og kraften trådløst gjennom hodeskallen for å nå elektrodene. Men foreløpig har teamet hans så langt latt protesen være kablet for eksperimenter – noe som gir størst fleksibilitet til å fortsette å oppdatere maskinvaren før de bestemmer seg for et design.
Ved 10 piksler x 10 piksler, som er omtrent den maksimale potensielle oppløsningen Gómez sitt implantat kan gi, kan man oppfatte grunnleggende former som bokstaver, en dørkarm eller et fortau. Men konturene til et ansikt, enn si en person, er langt mer kompliserte. Det er derfor Fernandez utvidet systemet sitt med bildegjenkjenningsprogramvare for å identifisere en person i et rom og sende et mønster av fosfener til Gómezs hjerne som hun lærte å gjenkjenne.
Med 25 x 25 piksler, skriver Fernandez i et lysbilde han liker å presentere, syn er mulig. Og fordi Utah-arrayen i sin nåværende form er så liten og krever så lite strøm for å kjøre, sier Fernandez at det ikke er noen teknisk grunn til at teamet hans ikke kunne installere fire til seks på hver side av hjernen, og tilby syn på 60 x 60 piksler eller høyere. Likevel er det ingen som vet hvor mye input den menneskelige hjernen kan ta fra slike enheter uten å bli overveldet og vise tilsvarende TV-snø.
Hva det ser ut som
Fernandez og hans gradstudent med et prototypekamera koblet til datamaskinen. Russ Juskalian
Gómez fortalte meg at hun ville ha beholdt implantatet installert hvis hun hadde fått valget, og at hun vil være først i køen hvis en oppdatert versjon er tilgjengelig. Når Fernandez er ferdig med å analysere matrisen hennes, planlegger Gómez å få den innrammet og henge den på stueveggen hennes.
Tilbake i Fernandez sitt laboratorium tilbyr han å koble meg til en ikke-invasiv enhet han bruker til å screene pasienter.
Sittende i den samme skinnstolen som Gómez okkuperte under fjorårets gjennombruddseksperiment, venter jeg mens en nevrolog holder en tryllestav med to ringer mot siden av hodet mitt. Enheten, kalt en sommerfuglspole, er koblet til en boks som begeistrer nevroner i hjernen med en kraftig elektromagnetisk puls – et fenomen som kalles transkraniell magnetisk stimulering. Den første eksplosjonen føles som om noen sjokkerer hodebunnen min. Fingrene mine krøller seg ufrivillig inn i håndflatene mine. Se, det fungerte! sier Fernandez og ler. Det var din motoriske cortex. Nå skal vi prøve å gi deg noen fosfener.
Nevrologen omplasserer tryllestaven og stiller inn maskinen for en rask serie med pulser. Denne gangen når hun fyrer, føler jeg en intens zzp-zzp-zzp , som om noen brukte baksiden av skallen min som en dørbanker. Så, selv om øynene mine er vidåpne, ser jeg noe: en lys horisontal linje blinker over midten av synsfeltet mitt, sammen med to skimrende trekanter fylt med noe som ser ut som TV-snø. Synet blekner like raskt som det kom, og etterlater en kort etterglød.
Dette er som det Berna kunne se, sier Fernandez. Bortsett fra at synet hennes av verden var stabilt så lenge signalet ble overført til hjernen hennes. Hun kunne også snu hodet og, med brillene på, se seg rundt i rommet. Det jeg hadde sett var bare indre fantomer av en elektrisk opphisset hjerne. Gómez kunne faktisk nå ut og røre verden hun så på for første gang på 16 år.