ÅterstĂ€lla vision med bioniska ögon: ingen lĂ€ngre science fiction

ÅterstĂ€lla vision med bioniska ögon: ingen lĂ€ngre science fiction

Bionisk vision kan lÄta som science fiction, men Dr Michael Beyeler arbetar just med det.

Ursprungligen frÄn Schweiz, drar Dr Beyeler upp sin postdoktor vid University of Washington innan han flyttar till University of California Santa Barbara i höst för att leda det nybildade Bionic Vision Lab i avdelningarna för datavetenskap och psykologisk och hjÀrnvetenskap.

Vi pratade med honom om denna “djupa fascination med hjĂ€rnan” och hur han hoppas att hans arbete sĂ„ smĂ„ningom kommer att kunna Ă„terstĂ€lla synen för blinda. HĂ€r redigeras och sammanfattas utdrag ur vĂ„rt samtal.

Dr. Beyeler, ge oss en översikt över fĂ€ltet “neuralteknik” som kommer att leda till bionisk syn i framtiden.
[MB] Neuroengineering Àr ett framvÀxande tvÀrvetenskapligt fÀlt som syftar till att konstruera enheter som kan grÀnssnitt med hjÀrnan. Lite som hjÀrnimplantat frÄn, men mycket mindre lÀskigt. []

Den mÀnskliga hjÀrnan har ungefÀr 100 miljarder nervceller, eller neuroner, och biljoner anslutningar mellan dem, organiserade i olika hjÀrnomrÄden som alla stöder en viss uppgift; till exempel bearbeta visuell eller auditiv information, fatta beslut eller komma frÄn A till B. Du kan förestÀlla dig att förstÄ hur dessa neurala kretsar ger upphov till uppfattning och handling krÀver att man samlar fÀrdigheter frÄn en mÀngd olika discipliner, sÄsom neurovetenskap, teknik, datavetenskap och statistik.

Förklara hur dessa BMI fungerar inom ditt omrÄde. Jag har testat dem för humörhöjning, men inte kopplat till visuella tillstÄnd.
RĂ€tt. “HjĂ€rn-dator-grĂ€nssnitt” kan anvĂ€ndas bĂ„de för att behandla neurologiska och psykiska störningar sĂ„vĂ€l som för att förstĂ„ hjĂ€rnans funktion, och nu har ingenjörer utvecklat sĂ€tt att manipulera dessa nervkretsar med elektriska strömmar, ljus, ultraljud och magnetfĂ€lt. AnmĂ€rkningsvĂ€rt kan vi fĂ„ ett finger, en arm eller till och med ett ben att röra sig bara genom att aktivera rĂ€tt nervceller i motorbarken. PĂ„ samma sĂ€tt kan vi aktivera nervceller i den visuella cortexen för att fĂ„ mĂ€nniskor att se blixtar. Den förstnĂ€mnda gör det möjligt för oss att behandla neurologiska tillstĂ„nd som Parkinsons sjukdom och epilepsi, medan den senare sĂ„ smĂ„ningom bör tillĂ„ta oss att Ă„terstĂ€lla synen för blinda.

Fantastisk. Och vilka typer av enheter finns för nÀrvarande i fÀltet?
Idén om en visuell protes, eller ett bioniskt öga, Àr inte lÀngre science fiction. Du kanske har hört talas om Argus II, en enhet som utvecklats av ett företag som heter Second Sight, som finns tillgÀngligt i USA, Europa och i vissa asiatiska lÀnder. Det Àr för personer som har tappat synen pÄ grund av en retinal degenerativ sjukdom som retinitis pigmentosa och makuladegeneration.

Hur mÄnga mÀnniskor idag har dessa retinala proteser?
Jag tror att det nu finns mer Àn 300 Argus II-anvÀndare runt om i vÀrlden och tillverkaren, Second Sight, har precis börjat implantera ORION, en enhet som hoppar över ögat helt och direkt grÀnsar till den visuella cortexen. Bortsett frÄn det vÀntar vi ocksÄ ivrigt pÄ de första resultaten av PRIMA, en ny subretinal enhet utvecklad vid Stanford University och kommersialiserad av ett franskt företag som heter Pixium Vision.

SÄ det hÀr Àr ett vÀxande fÀlt?
Definitivt. Faktum Àr att ytterligare 30 enheter Àr under utveckling över hela vÀrlden. Sammantaget bör det finnas ett brett utbud av synÄterstÀllningsteknologier tillgÀngliga under det kommande decenniet.

Dr Michael Beyeler testar

För tydlighetens skull, förklara hur de nuvarande systemen fungerar.
NĂ€r individer, pĂ„ grund av olika sjukdomar, inte lĂ€ngre har sina fotoreceptorer – de ljusuppsamlande cellerna pĂ„ baksidan av ögat – Ă€r tanken att ersĂ€tta dessa celler med en mikroelektroduppsĂ€ttning som efterliknar deras funktionalitet. Argus II-anvĂ€ndare bĂ€r ocksĂ„ ett par glasögon med en liten kamera inbĂ€ddad, sĂ„ kamerans visuella ingĂ„ng kan översĂ€ttas till en serie elektriska pulser som implantatet levererar till de neurala kretsarna i ögat. För de flesta patienter erbjuder Argus II “fingerrĂ€kning” synnivĂ„er – mĂ€nniskor kan skilja ljus frĂ„n mörka bakgrunder och se rörelse, men deras syn Ă€r suddig och ofta svĂ„rt att tolka. TyvĂ€rr visar det sig med nuvarande teknik att det Ă€r vĂ€ldigt svĂ„rt att efterlikna nervkoden i ögat och den visuella cortexen för att lura hjĂ€rnan att tro att den sĂ„g nĂ„got meningsfullt. Det Ă€r hĂ€r jag kommer in.

Mitt mÄl Àr i grunden att förstÄ hur man gÄr frÄn kameraingÄng till elektrisk stimulering och komma med en kod som det visuella systemet kan tolka. Detta krÀver bÄde en djup förstÄelse för den bakomliggande neurovetenskapen samt de tekniska fÀrdigheterna för att konstruera en livskraftig realtidslösning.

Och hur gör du det hÀr?
Genom att anvÀnda verktyg frÄn datavetenskap, neurovetenskap och kognitiv psykologi. Till exempel kommer vi med matematiska ekvationer som beskriver hur enskilda neuroner svarar pÄ elektrisk stimulering. Vi utför ocksÄ enkla psykofysiska experiment, som att be Argus II-anvÀndare att rita vad de ser nÀr vi stimulerar olika elektroder. Vi anvÀnder sedan insikter frÄn dessa experiment för att utveckla mjukvarupaket som förutsÀger vad mÀnniskor ska se för ett givet elektriskt stimuleringsmönster, som kan anvÀndas av enhetstillverkaren för att göra den artificiella visionen, som tillhandahÄlls av dessa enheter, mer tolkbar för anvÀndaren.

Fokuserar du pÄ bionisk (konstgjord) snarare Àn biomimik (naturlig) syn?
Ja, för istĂ€llet för att fokusera pĂ„ “naturlig” vision, kan vi bĂ€ttre tĂ€nka pĂ„ hur man skapar “praktisk” och “anvĂ€ndbar” konstgjord syn. Vi har ett verkligt tillfĂ€lle hĂ€r att utnyttja blindas befintliga neurala kretsar och förstĂ€rka deras visuella sinnen ungefĂ€r som Google Glass eller Microsoft HoloLens. LĂ„t till exempel saker se ljusare ut nĂ€rmare nĂ€rmare, anvĂ€nd datasyn för att markera sĂ€kra vĂ€gar och kombinera den med GPS för att ge visuella anvisningar, varna anvĂ€ndare för överhĂ€ngande faror i sin omedelbara omgivning, eller till och med utvidga omrĂ„det “synligt” ljus med anvĂ€ndningen av en infraröd sensor. NĂ€r kvaliteten pĂ„ den genererade konstgjorda visionen nĂ„r en viss tröskel finns det mĂ„nga spĂ€nnande vĂ€gar att följa.

PÄ praktisk nivÄ, hur anvÀnder du teknik i din forskning?
Eftersom vi inte utvecklar vÄra egna implantat samarbetar vi ofta med olika tillverkare av enheter. Nyligen har vi gjort omfattande anvÀndning av Argus II, som levereras med ett eget ganska sofistikerat programvaruutvecklingssats. Second Sight har varit mycket framgÄngsrikt hos oss, bÄde genom att ge tillgÄng till patienter sÄvÀl som genom att uthÀrda vÄra gnagande förfrÄgningar om att göra mindre programvaruÀndringar sÄ att vi kan testa vÄra galna teorier. I slutÀndan bör dessa samarbeten vara en win-win för bÄda parter, helst handel med data för insikt.

Vilka andra verktyg och programvara anvÀnder du i ditt arbete?
FÀltet domineras för nÀrvarande av olika tillverkare av apparater, som (förstÄeligt) kan vara mycket skyddande för sin immateriella egendom. Emellertid anser schweizern att det Àr viktigt att tillhandahÄlla en neutral akademisk röstfrÀmjande verktyg och resurser som Àr tillgÀngliga för alla. Vi fokuserar dÀrför starkt pÄ öppen vetenskap.

Du har utvecklat nÄgra open source-projekt, eller hur?
Ja, i denna anda var vi de första som gjorde vÄr simuleringsmotor, pulse2percept, tillgÀnglig som ett Python-paket med öppen kÀllkod. MÄlet med pulse2percept Àr att förutsÀga vad en patient ska se för en given ingÄngsstimulans. Intressant Àr att detta tillvÀgagÄngssÀtt redan har uppmÀrksammats av Second Sight och Pixium Vision, som uttryckte intresse för att anvÀnda vÄr programvara för att förutsÀga vad deras patienter ser. I framtiden Àr mitt mÄl att anpassa denna programvara till andra enheter nÀr de blir tillgÀngliga.

Vad tog dig till USA, frÄn Schweiz, i första hand?
Jag började som elektrotekniker i ZĂŒrich, för jag har alltid varit intresserad av hur saker fungerar, men blev mer och mer intresserad av sjĂ€lva hjĂ€rnan och insĂ„g att mina fĂ€rdigheter som elektrotekniker var direkt överförbara till att förstĂ„ hur hjĂ€rnan fungerar . Jag kunde ta signalbehandling, nĂ€tverksteori och informationsteori och – genom biomedicinsk teknik och neurovetenskap – arbeta mot hjĂ€rninspirerade neurala nĂ€tverk och robotik – och anvĂ€nda alla dessa begrepp för att göra nĂ„got riktigt bra. Det var sĂ„ jag hamnade vid University of California Irvine för att fortsĂ€tta mina studier och göra min doktorsexamen. Jag planerade bara att komma till USA i cirka 9 mĂ„nader.

Och du Àr fortfarande hÀr ett decennium senare.
[] RĂ€tt.

Tillbaka till din forskning idag: vem Àr dina frÀmsta anhÀngare?
Mitt senaste arbete hade inte varit möjligt utan generöst stöd frÄn Washington Research Foundation i kombination med Gordon & Betty Moore Foundation och Alfred P. Sloan Foundation. Dessutom har jag varit vÀldigt lycklig att fÄ ett K99 Pathway to Independence Award frÄn National Eye Institute pÄ NIH. Detta Àr ett prestigefyllt femÄrigt bidrag som Àr tÀnkt att underlÀtta min övergÄng till att starta min egen forskargrupp som bitrÀdande professor.

Du hÄller pÄ att gÄ med i avdelningarna för datavetenskap och psykologisk och hjÀrnvetenskap vid University of California Santa Barbara och bygga ett Bionic Vision Lab, vilket Àr ett sÄ coolt namn.
Ja, jag Àr vÀldigt nöjd med den hÀr möjligheten. Det finns mÄnga kliniska forskargrupper som studerar effekterna av blÀndande degenerativa sjukdomar, och flera biomedicinska grupper konstruerar nya enheter. Men ingen fokuserar verkligen pÄ nya metoder och algoritmer för att förbÀttra koden som dessa enheter interagerar med sjÀlva det mÀnskliga visuella systemet. VÄr grupp kommer att vara en tvÀrvetenskaplig insats som försöker kombinera insikter frÄn neurovetenskap med datavetenskap och teknik för att bygga smartare hjÀrn-dator-grÀnssnitt och drömma upp nya sÀtt att maximera det praktiska med konstgjord syn.

Slutligen, hur blev du först intresserad av detta omrÄde?
För mig Ă€r detta den ultimata vetenskapliga strĂ€van, och den har potential att bota blindhet. Till slut kommer allt tillbaka till en djup fascination med hjĂ€rnan – denna mystiska köttkött som anvĂ€nder mindre kraft Ă€n en glödlampa för att ge upphov till vĂ„r medvetna uppfattning om vĂ€rlden. Hur i helvete gör hjĂ€rnan det?

Det Àr extraordinÀrt nÀr man verkligen tÀnker pÄ det.
Det Àr kanske ett av de sista stora ÄterstÄende vetenskapliga mysterierna. Och vilket bÀttre sÀtt att testa vÄr förstÄelse av hjÀrnan Àn att bygga en enhet som sÀkert och meningsfullt kan interagera med den? Jag menar, tekniken för att utnyttja denna komplexa krets kommer, det finns ingen vÀg kring det, och det kommer att tillÄta oss att manipulera vÄr uppfattning, vÄra beslut, vÄra handlingar. Vi bör bÀttre tÀnka pÄ hur man anvÀnder dessa krafter för gott.