Et nyt implantat til blinde stikker direkte ind i hjernen

Neurons aktionspotentialer Russ Juskalian

Allí, siger Bernardeta Gómez på sit modersmål spansk og peger på en stor sort streg, der løber hen over et hvidt stykke karton, der ligger i armslængde foran hende. Der .

Det er ikke ligefrem en imponerende bedrift for en 57-årig kvinde - bortset fra at Gómez er blind. Og sådan har hun været i over et årti. Da hun var 42, ødelagde giftig optisk neuropati de bundter af nerver, der forbinder Gómez' øjne med hendes hjerne, hvilket gjorde hende fuldstændig uden syn. Hun er slet ikke i stand til at opdage lys.

Men efter 16 års mørke fik Gómez et seks måneders vindue, hvor hun kunne se en meget lav opløsning af verden repræsenteret af lysende hvid-gule prikker og former. Dette var muligt takket være et modificeret par briller, mørklagt og udstyret med et lille kamera. Indretningen er koblet til en computer, der behandler et live-video-feed og omdanner det til elektroniske signaler. Et kabel ophængt fra loftet forbinder systemet med en port indlejret på bagsiden af ​​Gómez' kranium, som er forbundet til et 100-elektrode implantat i den visuelle cortex i den bageste del af hendes hjerne.

Bernardeta Gómez iført brillerne med kameraerne. Desværre har hun ikke længere hjerneimplantatet, som stadig er en midlertidig enhed. Russ Juskalian

Ved at bruge dette identificerede Gómez loftslamper, bogstaver, grundlæggende former trykt på papir og mennesker. Hun spillede endda et simpelt Pac-Man-lignende computerspil direkte ind i hendes hjerne. Fire dage om ugen under eksperimentets varighed blev Gómez ført til et laboratorium af sin seende mand og tilsluttet systemet.

Gómez' første øjenblik, i slutningen af ​​2018, var kulminationen på årtiers forskning af Eduardo Fernandez, direktør for neuroengineering ved University of Miguel Hernandez, i Elche, Spanien. Hans mål: at få så mange som muligt af de 36 millioner blinde mennesker verden over, der ønsker at se igen, tilbage. Fernandez' tilgang er særligt spændende, fordi den omgår øjet og optiske nerver.

Meget tidligere forskning forsøgte at genoprette synet ved at skabe et kunstigt øje eller nethinde. Det virkede, men langt de fleste blinde, som Gómez, har skader på nervesystemet, der forbinder nethinden med bagsiden af ​​hjernen. Et kunstigt øje vil ikke løse deres blindhed. Derfor skiftede virksomheden Second Sight, som fik godkendelse til at sælge en kunstig nethinde i Europa i 2011 – og i USA i 2013 – for en sjælden sygdom kaldet retinitis pigmentosa, i 2015 to årtiers arbejde væk fra nethinden til cortex. . (Second Sight siger, at lidt mere end 350 mennesker bruger dets Argus II nethindeimplantat.)

Under et nyligt besøg hos Elche med palmer, fortalte Fernandez mig, at fremskridt inden for implantatteknologi og en mere raffineret forståelse af det menneskelige visuelle system har givet ham selvtilliden til at gå direkte til hjernen. Informationen i nervesystemet er den samme information, som er i en elektrisk enhed, siger han

At genoprette synet ved at tilføre signaler direkte til hjernen er ambitiøst. Men de underliggende principper er blevet brugt i human-elektroniske implantater i almindelig medicin i årtier. Lige nu, forklarer Fernandez, har vi mange elektriske enheder, der interagerer med den menneskelige krop. En af dem er pacemakeren. Og i sansesystemet har vi cochleaimplantatet.

Eduardo Fernandez Russ Juskalian

Denne sidstnævnte enhed er høreversionen af ​​protesen Fernandez bygget til Gómez: en ekstern mikrofon og et behandlingssystem, der transmitterer et digitalt signal til et implantat i det indre øre. Implantatets elektroder sender strømimpulser ind i nærliggende nerver, som hjernen fortolker som lyd. Cochleaimplantatet, som første gang blev installeret i en patient i 1961, lader over en halv million mennesker verden over føre samtaler som en normal del af hverdagen.

Berna var vores første patient, men i løbet af de næste par år vil vi installere implantater i fem blinde mere, siger Fernandez, der kalder Gómez ved sit fornavn. Vi havde lavet lignende forsøg på dyr, men en kat eller en abe kan ikke forklare, hvad den ser.

Berna kunne.

Hendes eksperiment krævede mod. Det krævede hjerneoperation på en ellers sund krop - altid en risikabel procedure - at installere implantatet. Og så igen for at fjerne den seks måneder senere, da protesen ikke er godkendt til længerevarende brug.

Anfald og fosfener

Jeg hører Gómez, før jeg ser hende. Hendes stemme er en kvinde omkring et årti yngre end hendes alder. Hendes ord er afmålt, hendes kadence er perfekt glat, og hendes tone er varm, selvsikker og stabil.

Da jeg endelig ser hende i laboratoriet, bemærker jeg, at Gómez kender indretningen af ​​rummet så godt, at hun knap har brug for hjælp til at navigere i den lille gang og dens tilhørende rum. Da jeg går over for at hilse på hende, peger Gómez’ ansigt i første omgang i den forkerte retning, indtil jeg siger hej. Da jeg rækker ud for at trykke hendes hånd, fører hendes mand hendes hånd ind i min.

Gómez er her for en hjerne-MR for at se, hvordan tingene ser ud et halvt år efter at have fjernet sit implantat (de ser godt ud). Hun er også her for at møde en potentiel anden patient, der er i byen og på værelset under mit besøg. På et tidspunkt under dette møde, da Fernandez forklarer, hvordan hardwaren forbindes til kraniet, afbryder Gómez diskussionen, vipper fremad og placerer kundeemnerens hånd på bagsiden af ​​hendes hoved, hvor der plejede at være en metaludgang. I dag er der stort set ingen beviser for havnen. Implantatoperationen var så begivenhedsløs, siger hun, at hun kom til laboratoriet allerede dagen efter for at blive tilsluttet og starte eksperimenterne. Hun har ikke haft problemer eller smerter siden.

Gómez var heldig. Den lange historie med eksperimenter, der førte til hendes succesfulde implantat, har en broget fortid. I 1929 opdagede en tysk neurolog ved navn Otfrid Foerster, at han kunne fremkalde en hvid prik i synet på en patient, hvis han stak en elektrode ind i hjernens visuelle cortex, mens han lavede en operation. Han døbte fænomenet et fosfen. Forskere og sci-fi-forfattere har siden forestillet sig potentialet for en kamera-til-computer-til-hjerne visuel protese. Nogle forskere byggede endda rudimentære systemer.

I begyndelsen af ​​2000'erne blev det hypotetiske en realitet, da en excentrisk biomedicinsk forsker ved navn William Dobelle installerede en sådan protese i hovedet på en forsøgspatient.

I 2002 huskede forfatteren Steven Kotler med rædsel, at han så Dobelle skrue op for elektriciteten og en patient falde til gulvet og vride sig i et anfald. Årsagen var for meget stimulation med for meget strøm - noget, viser det sig, hjerner ikke kan lide. Dobelles patienter havde også problemer med infektioner. Alligevel markedsførte Dobelle sin omfangsrige enhed som næsten klar til daglig brug, komplet med en reklamevideo af en blind mand, der kører langsomt og ustabilt på en lukket parkeringsplads. Da Dobelle døde i 2004, gjorde hans protese det også.

I modsætning til Dobelle, der proklamerede en kur mod blinde, siger Fernandez næsten konstant ting som: Jeg ønsker ikke at vække forhåbninger, og vi håber at have et system, folk kan bruge, men lige nu udfører vi bare tidlige eksperimenter .

Men Gómez så faktisk.

Seng af søm

Hvis den grundlæggende idé bag Gómez' syn - sæt et kamera i et videokabel ind i hjernen - er enkel, er detaljerne det ikke. Fernandez og hans team skulle først finde ud af kameradelen. Hvilken slags signal producerer en menneskelig nethinde? For at forsøge at besvare dette spørgsmål tager Fernandez menneskelige nethinder fra mennesker, der for nylig er døde, kobler nethinderne til elektroder, udsætter dem for lys og måler, hvad der rammer elektroderne. (Hans laboratorium har et tæt forhold til det lokale hospital, som nogle gange ringer midt om natten, når en organdonor dør. En menneskelig nethinde kan kun holdes i live i omkring syv timer.) Hans team bruger også maskinlæring til at matche retinas elektriske output til simple visuelle input, som hjælper dem med at skrive software til automatisk at efterligne processen.

Det næste skridt er at tage dette signal og levere det til hjernen. I den protese, som Fernandez byggede til Gómez, løber en kabelforbindelse til et almindeligt neuroimplantat kendt som et Utah-array, som kun er mindre end den hævede spids på den positive ende af et AAA-batteri. Ud af implantatet er 100 bittesmå elektrodespidser, hver omkring en millimeter høje – tilsammen ligner de en miniature seng af søm. Hver elektrode kan levere en strøm til mellem en og fire neuroner. Når implantatet indsættes, gennemborer elektroderne hjernens overflade; når det fjernes, dannes der 100 små dråber blod i hullerne.

Det implanterede array har 100 elektroder og ligner en lille seng af søm. Fernandez

Fernandez var nødt til at kalibrere én elektrode ad gangen, og sendte den stadig stærkere strømme, indtil Gómez bemærkede, hvornår og hvor hun så en phosphen. Det tog mere end en måned at få alle 100 elektroder ringet ind.

Fordelen ved vores tilgang er, at arrayets elektroder stikker ind i hjernen og sidder tæt på neuronerne, siger Fernandez. Dette lader implantatet producere syn med en meget lavere elektrisk strøm, end der var behov for i Dobelles system, hvilket kraftigt reducerer risikoen for anfald.

Den store ulempe ved protesen - og den primære årsag til, at Gómez ikke kunne beholde sin mere end seks måneder - er, at ingen ved, hvor længe elektroderne kan holde uden at nedbryde hverken implantatet eller brugerens hjerne. Kroppens immunsystem begynder at nedbryde elektroderne og omgive dem med arvæv, som til sidst svækker signalet, siger Fernandez. Der er også problemet med, at elektroderne bøjer sig, når nogen bevæger sig rundt. At dømme ud fra forskning i dyr og et tidligt kig på det array, Gómez brugte, antager han, at det nuværende setup kan vare to til tre år, og måske op til 10 år, før det mislykkes. Fernandez håber, at et par mindre justeringer vil udvide det til et par årtier - en kritisk forudsætning for et stykke medicinsk hardware, der kræver invasiv hjernekirurgi.

Til sidst skal protesen, ligesom et cochleaimplantat, sende sit signal og strøm trådløst gennem kraniet for at nå elektroderne. Men indtil videre har hans team indtil videre ladet protesen kablet til eksperimenter - hvilket giver den største fleksibilitet til at blive ved med at opdatere hardwaren, før de beslutter sig for et design.

Ved 10 pixel gange 10 pixel, hvilket groft sagt er den maksimale potentielle opløsning, Gómez' implantat kunne give, kan man opfatte grundlæggende former som bogstaver, en dørkarm eller et fortov. Men konturerne af et ansigt, endsige en person, er langt mere komplicerede. Det er derfor, Fernandez udvidede sit system med billedgenkendelsessoftware for at identificere en person i et rum og sende et mønster af fosfener til Gómez' hjerne, som hun lærte at genkende.

Ved 25 gange 25 pixels, skriver Fernandez i et dias, han kan lide at præsentere, at syn er muligt. Og fordi Utah-arrayet i sin nuværende form er så lille og kræver så lidt strøm for at køre, siger Fernandez, at der ikke er nogen teknisk grund til, at hans team ikke kunne installere fire til seks på hver side af hjernen og tilbyde syn på 60 x 60 pixels eller højere. Alligevel ved ingen, hvor meget input den menneskelige hjerne kan tage fra sådanne enheder uden at blive overvældet og vise, hvad der svarer til tv-sne.

Hvad det ligner

Fernandez og hans kandidatstuderende med et prototypekamera koblet til computeren. Russ Juskalian

Gómez fortalte mig, at hun ville have beholdt implantatet installeret, hvis hun havde fået valget, og at hun vil være først i køen, hvis en opdateret version er tilgængelig. Da Fernandez er færdig med at analysere sit array, planlægger Gómez at få det indrammet og hænge det på hendes stuevæg.

Tilbage i Fernandez's laboratorium tilbyder han at tilslutte mig en ikke-invasiv enhed, han bruger til at screene patienter.

Siddende i den samme læderstol som Gómez besatte under sidste års gennembrudseksperiment, venter jeg, mens en neurolog holder en tryllestav med to ringe mod siden af ​​mit hoved. Enheden, kaldet en sommerfuglespole, er forbundet til en boks, der exciterer neuroner i hjernen med en kraftig elektromagnetisk puls - et fænomen kaldet transkraniel magnetisk stimulation. Det første eksplosion føles, som om nogen chokerer min hovedbund. Mine fingre krøller ufrivilligt ind i mine håndflader. Se, det virkede! siger Fernandez og griner. Det var din motoriske cortex. Nu vil vi prøve at give dig nogle fosfener.

Neurologen omplacerer tryllestaven og indstiller maskinen til en hurtig serie af pulser. Denne gang, da hun fyrer, føler jeg en intens zzp-zzp-zzp , som om nogen brugte bagsiden af ​​mit kranium som en dørbanker. Så, selvom mine øjne er vidt åbne, ser jeg noget: en lys vandret linje blinker hen over midten af ​​mit synsfelt sammen med to flimrende trekanter fyldt med, hvad der ligner tv-sne. Synet forsvinder lige så hurtigt, som det ankom, og efterlader et kort efterglød.

Det er ligesom det, Berna kunne se, siger Fernandez. Bortset fra, at hendes syn af verden var stabilt, så længe signalet blev overført til hendes hjerne. Hun kunne også dreje hovedet og med brillerne på se sig omkring i lokalet. Det, jeg havde set, var blot indre fantomer af en elektrisk ophidset hjerne. Gómez kunne faktisk række ud og røre ved den verden, hun så på for første gang i 16 år.

skjule