Återställa vision med bioniska ögon: ingen längre science fiction

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

Ursprungligen från 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 hjärnvetenskap.

Vi pratade med honom om denna “djupa fascination med hjärnan” och hur han hoppas att hans arbete så småningom kommer att kunna återställa synen för blinda. Här redigeras och sammanfattas utdrag ur vårt samtal.

Dr. Beyeler, ge oss en översikt över fältet “neuralteknik” som kommer att leda till bionisk syn i framtiden.
[MB] Neuroengineering är ett framväxande tvärvetenskapligt fält som syftar till att konstruera enheter som kan gränssnitt med hjärnan. Lite som hjärnimplantat från, men mycket mindre läskigt. []

Den mänskliga hjärnan har ungefär 100 miljarder nervceller, eller neuroner, och biljoner anslutningar mellan dem, organiserade i olika hjärnområden som alla stöder en viss uppgift; till exempel bearbeta visuell eller auditiv information, fatta beslut eller komma från A till B. Du kan föreställa dig att förstå hur dessa neurala kretsar ger upphov till uppfattning och handling kräver att man samlar färdigheter från en mängd olika discipliner, såsom neurovetenskap, teknik, datavetenskap och statistik.

Förklara hur dessa BMI fungerar inom ditt område. Jag har testat dem för humörhöjning, men inte kopplat till visuella tillstånd.
Rätt. “Hjärn-dator-gränssnitt” kan användas både för att behandla neurologiska och psykiska störningar såväl som för att förstå hjärnans funktion, och nu har ingenjörer utvecklat sätt att manipulera dessa nervkretsar med elektriska strömmar, ljus, ultraljud och magnetfält. Anmärkningsvärt kan vi få ett finger, en arm eller till och med ett ben att röra sig bara genom att aktivera rätt nervceller i motorbarken. På samma sätt kan vi aktivera nervceller i den visuella cortexen för att få människor att se blixtar. Den förstnämnda gör det möjligt för oss att behandla neurologiska tillstånd som Parkinsons sjukdom och epilepsi, medan den senare så småningom bör tillåta oss att återställa synen för blinda.

Fantastisk. Och vilka typer av enheter finns för närvarande i fältet?
Idén om en visuell protes, eller ett bioniskt öga, är inte längre science fiction. Du kanske har hört talas om Argus II, en enhet som utvecklats av ett företag som heter Second Sight, som finns tillgängligt i USA, Europa och i vissa asiatiska länder. Det är för personer som har tappat synen på grund av en retinal degenerativ sjukdom som retinitis pigmentosa och makuladegeneration.

Hur många människor idag har dessa retinala proteser?
Jag tror att det nu finns mer än 300 Argus II-användare runt om i världen och tillverkaren, Second Sight, har precis börjat implantera ORION, en enhet som hoppar över ögat helt och direkt gränsar till den visuella cortexen. Bortsett från det väntar vi också ivrigt på de första resultaten av PRIMA, en ny subretinal enhet utvecklad vid Stanford University och kommersialiserad av ett franskt företag som heter Pixium Vision.

Så det här är ett växande fält?
Definitivt. Faktum är att ytterligare 30 enheter är under utveckling över hela världen. Sammantaget bör det finnas ett brett utbud av synåterställningsteknologier tillgängliga under det kommande decenniet.

För tydlighetens skull, förklara hur de nuvarande systemen fungerar.
När individer, på grund av olika sjukdomar, inte längre har sina fotoreceptorer – de ljusuppsamlande cellerna på baksidan av ögat – är tanken att ersätta dessa celler med en mikroelektroduppsättning som efterliknar deras funktionalitet. Argus II-användare bär också ett par glasögon med en liten kamera inbäddad, så kamerans visuella ingång kan översättas till en serie elektriska pulser som implantatet levererar till de neurala kretsarna i ögat. För de flesta patienter erbjuder Argus II “fingerräkning” synnivåer – människor kan skilja ljus från mörka bakgrunder och se rörelse, men deras syn är suddig och ofta svårt att tolka. Tyvärr visar det sig med nuvarande teknik att det är väldigt svårt att efterlikna nervkoden i ögat och den visuella cortexen för att lura hjärnan att tro att den såg något meningsfullt. Det är här jag kommer in.

Mitt mål är i grunden att förstå hur man går från kameraingång till elektrisk stimulering och komma med en kod som det visuella systemet kan tolka. Detta kräver både en djup förståelse för den bakomliggande neurovetenskapen samt de tekniska färdigheterna för att konstruera en livskraftig realtidslösning.

Och hur gör du det här?
Genom att använda verktyg från datavetenskap, neurovetenskap och kognitiv psykologi. Till exempel kommer vi med matematiska ekvationer som beskriver hur enskilda neuroner svarar på elektrisk stimulering. Vi utför också enkla psykofysiska experiment, som att be Argus II-användare att rita vad de ser när vi stimulerar olika elektroder. Vi använder sedan insikter från dessa experiment för att utveckla mjukvarupaket som förutsäger vad människor ska se för ett givet elektriskt stimuleringsmönster, som kan användas av enhetstillverkaren för att göra den artificiella visionen, som tillhandahålls av dessa enheter, mer tolkbar för användaren.

Fokuserar du på bionisk (konstgjord) snarare än biomimik (naturlig) syn?
Ja, för istället för att fokusera på “naturlig” vision, kan vi bättre tänka på hur man skapar “praktisk” och “användbar” konstgjord syn. Vi har ett verkligt tillfälle här att utnyttja blindas befintliga neurala kretsar och förstärka deras visuella sinnen ungefär som Google Glass eller Microsoft HoloLens. Låt till exempel saker se ljusare ut närmare närmare, använd datasyn för att markera säkra vägar och kombinera den med GPS för att ge visuella anvisningar, varna användare för överhängande faror i sin omedelbara omgivning, eller till och med utvidga området “synligt” ljus med användningen av en infraröd sensor. När kvaliteten på den genererade konstgjorda visionen når en viss tröskel finns det många spännande vägar att följa.

På praktisk nivå, hur använder du teknik i din forskning?
Eftersom vi inte utvecklar våra egna implantat samarbetar vi ofta med olika tillverkare av enheter. Nyligen har vi gjort omfattande användning av Argus II, som levereras med ett eget ganska sofistikerat programvaruutvecklingssats. Second Sight har varit mycket framgångsrikt hos oss, både genom att ge tillgång till patienter såväl som genom att uthärda våra gnagande förfrågningar om att göra mindre programvaruändringar så att vi kan testa våra galna teorier. I slutändan bör dessa samarbeten vara en win-win för båda parter, helst handel med data för insikt.

Vilka andra verktyg och programvara använder du i ditt arbete?
Fältet domineras för närvarande av olika tillverkare av apparater, som (förståeligt) kan vara mycket skyddande för sin immateriella egendom. Emellertid anser schweizern att det är viktigt att tillhandahålla en neutral akademisk röstfrämjande verktyg och resurser som är tillgängliga för alla. Vi fokuserar därför starkt på öppen vetenskap.

Du har utvecklat några open source-projekt, eller hur?
Ja, i denna anda var vi de första som gjorde vår simuleringsmotor, pulse2percept, tillgänglig som ett Python-paket med öppen källkod. Målet med pulse2percept är att förutsäga vad en patient ska se för en given ingångsstimulans. Intressant är att detta tillvägagångssätt redan har uppmärksammats av Second Sight och Pixium Vision, som uttryckte intresse för att använda vår programvara för att förutsäga vad deras patienter ser. I framtiden är mitt mål att anpassa denna programvara till andra enheter när de blir tillgängliga.

Vad tog dig till USA, från Schweiz, i första hand?
Jag började som elektrotekniker i Zürich, för jag har alltid varit intresserad av hur saker fungerar, men blev mer och mer intresserad av själva hjärnan och insåg att mina färdigheter som elektrotekniker var direkt överförbara till att förstå hur hjärnan fungerar . Jag kunde ta signalbehandling, nätverksteori och informationsteori och – genom biomedicinsk teknik och neurovetenskap – arbeta mot hjärninspirerade neurala nätverk och robotik – och använda alla dessa begrepp för att göra något riktigt bra. Det var så jag hamnade vid University of California Irvine för att fortsätta mina studier och göra min doktorsexamen. Jag planerade bara att komma till USA i cirka 9 månader.

Och du är fortfarande här ett decennium senare.
[] Rätt.

Tillbaka till din forskning idag: vem är dina främsta anhängare?
Mitt senaste arbete hade inte varit möjligt utan generöst stöd från Washington Research Foundation i kombination med Gordon & Betty Moore Foundation och Alfred P. Sloan Foundation. Dessutom har jag varit väldigt lycklig att få ett K99 Pathway to Independence Award från National Eye Institute på NIH. Detta är ett prestigefyllt femårigt bidrag som är tänkt att underlätta min övergång till att starta min egen forskargrupp som biträdande professor.

Du håller på att gå med i avdelningarna för datavetenskap och psykologisk och hjärnvetenskap vid University of California Santa Barbara och bygga ett Bionic Vision Lab, vilket är ett så coolt namn.
Ja, jag är väldigt nöjd med den här möjligheten. Det finns många kliniska forskargrupper som studerar effekterna av bländande degenerativa sjukdomar, och flera biomedicinska grupper konstruerar nya enheter. Men ingen fokuserar verkligen på nya metoder och algoritmer för att förbättra koden som dessa enheter interagerar med själva det mänskliga visuella systemet. Vår grupp kommer att vara en tvärvetenskaplig insats som försöker kombinera insikter från neurovetenskap med datavetenskap och teknik för att bygga smartare hjärn-dator-gränssnitt och drömma upp nya sätt att maximera det praktiska med konstgjord syn.

Slutligen, hur blev du först intresserad av detta område?
För mig är detta den ultimata vetenskapliga strävan, och den har potential att bota blindhet. Till slut kommer allt tillbaka till en djup fascination med hjärnan – denna mystiska köttkött som använder mindre kraft än en glödlampa för att ge upphov till vår medvetna uppfattning om världen. Hur i helvete gör hjärnan det?

Det är extraordinärt när man verkligen tänker på det.
Det är kanske ett av de sista stora återstående vetenskapliga mysterierna. Och vilket bättre sätt att testa vår förståelse av hjärnan än att bygga en enhet som säkert och meningsfullt kan interagera med den? Jag menar, tekniken för att utnyttja denna komplexa krets kommer, det finns ingen väg kring det, och det kommer att tillåta oss att manipulera vår uppfattning, våra beslut, våra handlingar. Vi bör bättre tänka på hur man använder dessa krafter för gott.