Sheila Nirenberg 談治療失明的人工眼

Sheila Nirenberg: A prosthetic eye to treat blindness

在TEDMED中,Sheila Nirenberg展示一個使視障人士能接收到影像的大膽方式:藉由一個連接視神經的鏡頭,直接將訊號傳到大腦中。

講者介紹

Sheila Nirenberg

Sheila Nirenberg研究大腦如何將訊息編碼-也許我們能將其解碼,藉此開發人工感應裝置。

Sheila Nirenberg是神經科學家及康乃爾大學威爾醫學院教授,研究神經編碼-也就是大腦如何從外界接收資訊,並將它編碼成電活動模式。這個研究的想法是將電流訊號解碼成電脈衝模式,藉此得知動物所見、所思或感覺。她最近致力於利用這項研究開發新型人工裝置,尤其是治療失明的裝置。

譯者介紹

翻譯人員洪曉慧

繁體編輯朱學恒、洪曉慧

簡體編輯朱學恒、洪曉慧

檔案後製處理洪曉慧、謝旻均


Sheila Nirenberg 談治療失明的人工眼

  • 我研究的是大腦如何處理資訊,也就是大腦如何接受外界資訊,並將它轉換成腦電波模式,及如何利用這些模式來控制行為-例如看、聽和拿東西。我是基礎科學家,而非臨床科學家,但過去一年半裡,我開始轉換跑道,利用對腦電波模式的瞭解來開發人工眼裝置。我今天想向各位展示其中一個例子,這是我們在此項研究中第一個嘗試-開發一種治療失明的人工眼裝置。

    我先從失明這個問題談起。美國的失明者有一千萬人,全球因視網膜疾病或黃斑部病變而失明,或面臨失明危機的人數更多,但我們卻對此束手無策。雖然有一些治療性藥物,但只對少部分患者有效。因此對大部分病人來說,他們恢復視力的希望得寄託於人工眼設備。問題是,目前人工眼的效果並不好,它們提供的視覺範圍依然有限。因此,例如,這些裝置只能幫助病人看到亮光及高對比度的輪廓,幾乎只有這樣而已,所以跟正常視覺所見的影像相距甚遠。

    展開英文



  • 今天我想告訴諸位的是,我們正在研發的一項設備很可能使這個情況改觀,使病人擁有更有效的視覺能力,我想向諸位展示一下它的運作原理。好,首先我稍微講一點背景知識,說明正常視網膜的運作原理,讓大家明白我們要解決的問題是什麼。這是一個視網膜,所以這是視網膜和大腦的圖片。當你看著某樣物體,例如這張嬰兒臉部圖片,圖像進入眼睛,落在視網膜上。它落在視網膜的前端細胞,即光感受器上,然後中間部分,即視網膜的電路系統,開始處理這個圖像。它對圖像進行操作,從中提取資訊,然後將資訊轉換成代碼,代碼以電脈衝模式傳入大腦,所以其中關鍵就是將圖像轉換成代碼。我所說的代碼,就是字面上的意思,像這個脈衝模式代表的就是「嬰兒臉」,所以當大腦得到這個脈衝模式,就知道這代表嬰兒臉孔,如果它得到不同模式,就知道代表的是什麼物體,例如一隻狗或另一種代表房子的模式,總之就是這麼回事。

    當然,現實生活是動態的,意味著外界景物總是不斷變化,所以脈衝模式也會不斷變化,因為你看到的世界也不斷地變化著。所以,你知道,這就有點複雜了。你的眼睛每毫秒都會傳送不同的脈衝模式,告訴大腦你看到的事物,所以當某人罹患視網膜退化疾病,例如黃斑部病變時,會發生什麼事?會發生的情況是,前端細胞會死亡,光感受器會死亡,接著,所有連接這些組織的電路和細胞都會停止作用,最後剩下的只有那些輸出細胞,就是將訊號傳入大腦的細胞。但因為這些病變,它們無法得到輸入訊號,所以也無法輸出訊號,使大腦無法再獲得任何視覺資訊,也就是說,他(她)失明了。

    所以,一個解決方案是,製造一種設備來模仿前端細胞的電路系統功能,將訊號傳給視網膜的輸出細胞,使它們能重新開始正常運作,將訊號輸入大腦,所以這就是我們研究的方向,也是我們人工眼的功能。所以它由兩個部分組成,我們稱之為編碼器和感測器。編碼器就像我之前提過的-可模仿前端細胞的電路功能-所以它可接收圖像,並轉換成視網膜能接受的編碼,然後感測器使輸出細胞將編碼送進大腦,這樣視網膜人工眼就能產生正常的視網膜輸出訊號。因此一個完全失去作用的視網膜,即使前端細胞完全失去電路功能,沒有光感受器,現在也能輸出正常訊號,一種大腦能理解的訊號,目前還沒有其他設備能做到這一點。

    展開英文



  • 好,我簡單說明一下編碼器的功能,因為這是相當關鍵的部分,很有意思也很酷。我不確定是否該用「酷」來形容,不過就是那個意思。它的功能是,用一組方程式替代最重要的視網膜電路系統部分,一組可植入晶片的方程式,所以,這其實就是數學,也就是說,我們並非真的換掉視網膜的組成部份,並非我們做了個迷你設備來替代每個不同類型的細胞,我們只是用一組方程式來擷取視網膜的功能,所以,以某種程度來說,這些方程式類似於編碼簿,一個圖像進入,通過這組方程式,變成一串電脈衝輸出,就像正常視網膜所產生的一樣。

    現在,我實際展示一下,我們確實能產生正常的輸出訊號,以及這麼做的意義。這是三組放電模式,最上面的來自視力正常的動物,中間的來自使用這種編碼感測設備的失明動物,底部的來自使用一般人工眼的失明動物。所以底部是目前最尖端的科技設備,主要由光感測器組成,但沒有編碼器。我們所做的就是把日常事物-人、嬰兒、公園座椅等這些一般物體的影片給牠們看,然後記錄三組動物的視網膜反應。我說明一下,每個長方形代表幾個細胞的放電模式,就像之前投影片中所顯示的一樣,每一行代表一個不同的細胞,我將這些脈衝顯示得更纖細些,讓你們能看見更詳細的資料。

    好,如圖所示,使用編碼感測設備的失明動物,放電模式跟正常放電模式相當接近-雖不完美,但已經很好了-使用一般人工眼的失明動物顯示效果相當差;使用一般人工眼時,細胞確實可以放電,只是並非以正常放電模式呈現,因為它們沒有正確的編碼。編碼有多重要?它對病人視力的潛在影響有多大?我向各位展示一個基礎實驗來回答這個問題。當然,我還有許多其他資料,如果你有興趣,我很樂意多展示一些。所以這個實驗被稱為重建實驗,所以我們從記錄裡截取某一刻,觀察那一刻視網膜看到了什麼?我們是否能重建視網膜從這些放電模式中看到的東西?

    展開英文



  • 所以我們分別觀察一般人工眼和編碼感測器的反應,我先從一般人工眼開始,讓你們看一下實驗結果。所以,你們可以看出,效果很有限,因為這個放電模式沒有經過正確編碼,很難使人看出外界的影像。你可以看見那裡有些東西,但看不清楚是什麼,這又回到我開頭時所說的問題,它使病人能看見高對比度的輪廓和亮光,但很難達到更佳效果。好,這是什麼圖像?嬰兒的臉,那麼,使用我們的方法加入編碼後,會看見什麼?你們可以看出,效果好多了,你不僅能看出這是一張嬰兒臉,也能看出是這個嬰兒的臉。這確實是相當具挑戰性的任務,所以左邊是單用編碼器的結果,右邊是將它使用於失明的視網膜,所以是編碼器加上感測器,但具有關鍵作用的其實是編碼器,因為我們可以將編碼器與不同的感測器結合起來。

    這僅是我們所做的第一個嘗試。我想談一些關於一般人工眼的問題。它剛剛面世時確實令人振奮,因為這畢竟是能讓失明視網膜產生反應的方法,但其中的限制因素在於編碼,如何能讓細胞產生更好的反應,產生正常的反應,所以,這就是我們所做的貢獻。現在我總結一下。如我之前所說的,如果你有興趣,我還有很多其他資料,我現在只簡單講述一些基本概念,這種能用自己的語言與大腦溝通的方法,以及這種方法的潛在力量。所以這跟運動修復術不同,它是將大腦的指令傳入一個設備,我們則是將外界資訊輸入大腦,並使其被大腦理解。

    最後我想強調的是,這個方法是廣泛適用的,我們尋找視網膜編碼的技術也可用於尋找人體其他區域的編碼,例如聽覺系統和運動系統,以治療聽力和運動障礙。使用跟我們繞過受損視網膜電路系統,進入視網膜輸出細胞相同的方法,我們也可繞過受損的耳蝸電路系統,直達聽神經,或繞過大腦皮質中受損的區域,進入運動皮質區,彌補中風造成的損害。

    最後,我想給大家一個簡單的概念。瞭解代碼非常、非常重要,如果我們能瞭解代碼,也就是大腦的語言,一切之前看似無法做到的事都變得可能。謝謝。

    展開英文