Ett nytt implantat för blinda jackar direkt in i hjärnan

Neurons aktionspotentialer Russ Juskalian

Allí, säger Bernardeta Gómez på sitt modersmål spanska och pekar på en stor svart linje som löper över ett vitt kartongark som står på armlängds avstånd framför henne. där .

Det är inte precis en imponerande bedrift för en 57-årig kvinna – förutom att Gómez är blind. Och hon har varit så i över ett decennium. När hon var 42 förstörde giftig optisk neuropati de nervknippen som förbinder Gómez ögon med hennes hjärna, vilket gjorde henne helt utan syn. Hon kan inte ens upptäcka ljus.

Men efter 16 år av mörker fick Gómez ett sexmånadersfönster under vilket hon kunde se en mycket lågupplöst sken av världen representerad av glödande vitgula prickar och former. Detta var möjligt tack vare ett modifierat par glasögon, mörklagda och utrustade med en liten kamera. Apparaten är ansluten till en dator som bearbetar ett livevideoflöde och förvandlar det till elektroniska signaler. En kabel upphängd i taket länkar systemet till en port inbäddad på baksidan av Gómezs skalle som är kopplad till ett 100-elektrodsimplantat i den visuella cortexen i den bakre delen av hennes hjärna.

Bernardeta Gómez bär glasögonen med kamerorna. Tyvärr har hon inte längre hjärnimplantatet, som fortfarande är en tillfällig anordning. Russ Juskalian

Med hjälp av detta identifierade Gómez taklampor, bokstäver, grundläggande former tryckta på papper och människor. Hon spelade till och med ett enkelt Pac-Man-liknande datorspel direkt in i hennes hjärna. Fyra dagar i veckan under experimentets varaktighet leddes Gómez till ett labb av sin seende make och kopplades in i systemet.

Gómez första ögonblick, i slutet av 2018, var kulmen på årtionden av forskning av Eduardo Fernandez, chef för neuroteknik vid University of Miguel Hernandez, i Elche, Spanien. Hans mål: att få tillbaka synen till så många som möjligt av de 36 miljoner blinda världen över som vill se igen. Fernandez tillvägagångssätt är särskilt spännande eftersom det kringgår ögat och optiska nerver.

Mycket tidigare forskning försökte återställa synen genom att skapa ett konstgjort öga eller näthinna. Det fungerade, men de allra flesta blinda, som Gómez, har skador på nervsystemet som förbinder näthinnan med baksidan av hjärnan. Ett konstgjort öga löser inte deras blindhet. Det var därför företaget Second Sight, som fick godkännande att sälja en konstgjord näthinna i Europa 2011 – och i USA 2013 – för en sällsynt sjukdom som kallas retinitis pigmentosa, 2015 bytte två decenniers arbete från näthinnan till cortex . (Second Sight säger att drygt 350 personer använder dess Argus II retinala implantat.)

Under ett besök nyligen jag gjorde hos Elche med palmer, berättade Fernandez att framsteg inom implantatteknik och en mer förfinad förståelse av det mänskliga visuella systemet har gett honom självförtroendet att gå direkt till hjärnan. Informationen i nervsystemet är samma information som finns i en elektrisk enhet, säger han

Att återställa synen genom att mata signaler direkt till hjärnan är ambitiöst. Men de underliggande principerna har använts i mänskliga elektroniska implantat inom traditionell medicin i decennier. Just nu, förklarar Fernandez, har vi många elektriska enheter som interagerar med människokroppen. En av dem är pacemakern. Och i sensoriska systemet har vi cochleaimplantatet.

Eduardo Fernandez Russ Juskalian

Den senare enheten är hörselversionen av protesen Fernandez byggd för Gómez: en extern mikrofon och ett bearbetningssystem som överför en digital signal till ett implantat i innerörat. Implantatets elektroder skickar strömpulser till närliggande nerver som hjärnan tolkar som ljud. Cochleaimplantatet, som först installerades på en patient 1961, låter över en halv miljon människor runt om i världen föra samtal som en normal del av vardagen.

Berna var vår första patient, men under de kommande åren kommer vi att installera implantat i ytterligare fem blinda, säger Fernandez, som kallar Gómez vid sitt förnamn. Vi hade gjort liknande experiment på djur, men en katt eller en apa kan inte förklara vad den ser.

Berna kunde.

Hennes experiment tog mod. Det krävde hjärnoperationer på en i övrigt frisk kropp – alltid en riskabel procedur – för att installera implantatet. Och sedan igen för att ta bort den sex månader senare, eftersom protesen inte är godkänd för längre tids användning.

Kramper och fosfener

Jag hör Gómez innan jag ser henne. Hennes röst är en kvinna som är ungefär ett decennium yngre än hennes ålder. Hennes ord är mätta, hennes kadens är perfekt jämn och hennes ton är varm, självsäker och stadig.

När jag äntligen ser henne i labbet märker jag att Gómez känner till utrymmets layout så väl att hon knappt behöver hjälp med att navigera i den lilla korridoren och dess tillhörande rum. När jag går fram för att hälsa på henne pekar Gómez ansikte först åt fel håll tills jag säger hej. När jag sträcker ut handen för att skaka hennes hand, styr hennes man hennes hand in i min.

Gómez är här för en hjärn-MRT för att se hur det ser ut ett halvår efter att ha tagit bort sitt implantat (de ser bra ut). Hon är också här för att träffa en potentiell andra patient som är i stan och i rummet under mitt besök. Vid ett tillfälle under det här mötet, när Fernandez förklarar hur hårdvaran ansluter till skallen, avbryter Gómez diskussionen, lutar sig framåt och lägger prospektens hand på baksidan av hennes huvud, där ett metalluttag brukade vara. Idag finns det praktiskt taget inga bevis på hamnen. Implantatoperationen var så händelselös, säger hon, att hon kom till labbet redan nästa dag för att koppla in sig och påbörja experimenten. Hon har inte haft några problem eller smärta sedan dess.

Gómez hade tur. Den långa historien av experiment som ledde till hennes framgångsrika implantat har ett rutigt förflutet. 1929 upptäckte en tysk neurolog vid namn Otfrid Foerster att han kunde få fram en vit prick i synen på en patient om han stack in en elektrod i hjärnans synbark medan han opererade. Han kallade fenomenet ett fosfen. Forskare och sci-fi-författare har sedan dess föreställt sig potentialen för en kamera-till-dator-till-hjärna visuell protes. Vissa forskare byggde till och med rudimentära system.

I början av 2000-talet blev det hypotetiska verklighet när en excentrisk biomedicinsk forskare vid namn William Dobelle installerade en sådan protes i huvudet på en experimentell patient.

År 2002 mindes författaren Steven Kotler med fasa när han såg Dobelle skruva upp strömmen och en patient falla till golvet och vrida sig i ett anfall. Orsaken var för mycket stimulans med för mycket ström - något, visar det sig, hjärnan inte gillar. Dobelles patienter hade också problem med infektioner. Ändå marknadsförde Dobelle sin skrymmande enhet som nästan redo för daglig användning, komplett med en reklamfilm av en blind man som kör långsamt och ostadigt på en stängd parkeringsplats. När Dobelle dog 2004 gjorde hans protes det också.

Till skillnad från Dobelle, som utropade ett botemedel för blinda, säger Fernandez nästan ständigt saker som, jag vill inte väcka några förhoppningar, och vi hoppas att vi har ett system som folk kan använda, men just nu genomför vi bara tidiga experiment .

Men Gómez såg faktiskt.

Spikmatta

Om grundidén bakom Gómez syn – koppla in en kamera till en videokabel i hjärnan – är enkel, är det inte detaljerna. Fernandez och hans team var först tvungna att lista ut kameradelen. Vilken typ av signal producerar en mänsklig näthinna? För att försöka svara på denna fråga tar Fernandez mänskliga näthinnor från personer som nyligen har dött, hakar fast näthinnan vid elektroderna, utsätter dem för ljus och mäter vad som träffar elektroderna. (Hans labb har en nära relation med det lokala sjukhuset, som ibland ringer mitt i natten när en organdonator dör. En mänsklig näthinna kan hållas vid liv i endast cirka sju timmar.) Hans team använder också maskininlärning för att matcha retinas elektriska utgång till enkla visuella ingångar, vilket hjälper dem att skriva mjukvara för att efterlikna processen automatiskt.

Nästa steg är att ta denna signal och leverera den till hjärnan. I protesen som Fernandez byggt för Gómez, går en kabelansluten anslutning till ett vanligt neuroimplantat som kallas en Utah-array, som bara är mindre än den upphöjda spetsen på den positiva änden av ett AAA-batteri. Från implantatet sticker ut 100 små elektrodspetsar, var och en cirka en millimeter hög – tillsammans ser de ut som en miniatyrbädd av naglar. Varje elektrod kan leverera en ström till mellan en och fyra neuroner. När implantatet sätts in genomborrar elektroderna hjärnans yta; när det tas bort bildas 100 små droppar blod i hålen.

Den implanterade arrayen har 100 elektroder och liknar en liten bädd av naglar. Fernandez

Fernandez var tvungen att kalibrera en elektrod i taget och skickade den allt starkare strömmar tills Gómez noterade när och var hon såg en fosfen. Att få alla 100 elektroderna uppringda tog mer än en månad.

Fördelen med vårt tillvägagångssätt är att arrayens elektroder sticker ut i hjärnan och sitter nära neuronerna, säger Fernandez. Detta låter implantatet producera syn med en mycket lägre elektrisk ström än vad som behövdes i Dobelles system, vilket kraftigt minskar risken för anfall.

Den stora nackdelen med protesen – och den främsta anledningen till att Gómez inte kunde behålla sin längre än sex månader – är att ingen vet hur länge elektroderna kan hålla utan att försämra vare sig implantatet eller användarens hjärna. Kroppens immunsystem börjar bryta ner elektroderna och omge dem med ärrvävnad, vilket så småningom försvagar signalen, säger Fernandez. Det finns också problemet med att elektroderna böjer sig när någon rör sig. Att döma av forskning på djur och en tidig titt på arrayen som Gómez använde, antar han att den nuvarande installationen kan pågå två till tre år, och kanske upp till 10 innan den misslyckas. Fernandez hoppas att några mindre justeringar kommer att förlänga det till några decennier - en kritisk förutsättning för en del av medicinsk hårdvara som kräver invasiv hjärnkirurgi.

Så småningom kommer protesen, som ett cochleaimplantat, att behöva överföra sin signal och kraft trådlöst genom skallen för att nå elektroderna. Men för tillfället har hans team hittills lämnat protesen kopplad för experiment – ​​vilket ger den största flexibiliteten för att fortsätta uppdatera hårdvaran innan de bestämmer sig för en design.

Vid 10 pixlar gånger 10 pixlar, vilket är ungefär den maximala potentiella upplösning som Gómez implantat kan ge, kan man uppfatta grundläggande former som bokstäver, en dörrkarm eller en trottoar. Men konturerna av ett ansikte, än mindre en person, är mycket mer komplicerade. Det är därför Fernandez utökade sitt system med bildigenkänningsprogram för att identifiera en person i ett rum och skicka ett mönster av fosfener till Gómez hjärna som hon lärde sig känna igen.

Vid 25 gånger 25 pixlar, skriver Fernandez i en bild som han gillar att presentera, vision är möjlig. Och eftersom Utah-arrayen i sin nuvarande form är så liten och kräver så lite kraft för att köras, säger Fernandez att det inte finns någon teknisk anledning till att hans team inte kunde installera fyra till sex på varje sida av hjärnan, och erbjuda syn på 60 x 60 pixlar eller högre. Ändå vet ingen hur mycket input den mänskliga hjärnan kan ta från sådana enheter utan att bli överväldigad och visa motsvarande TV-snö.

Vad det liknar

Fernandez och hans studentstudent med en prototypkamera ansluten till datorn. Russ Juskalian

Gómez sa till mig att hon skulle ha behållit implantatet installerat om hon hade fått välja och att hon kommer att stå först i kön om en uppdaterad version finns tillgänglig. När Fernandez är klar med att analysera sin array, planerar Gómez att få den inramad och hänga upp den på hennes vardagsrumsvägg.

Tillbaka i Fernandez labb erbjuder han sig att ansluta mig till en icke-invasiv enhet som han använder för att screena patienter.

Sitter i samma läderstol som Gómez ockuperade under förra årets genombrottsexperiment, väntar jag medan en neurolog håller en trollstav med två ringar mot sidan av mitt huvud. Enheten, som kallas en fjärilsspole, är ansluten till en låda som exciterar nervceller i hjärnan med en kraftfull elektromagnetisk puls – ett fenomen som kallas transkraniell magnetisk stimulering. Den första sprängningen känns som om någon chockerar min hårbotten. Mina fingrar rullar sig ofrivilligt in i mina handflator. Titta, det fungerade! säger Fernandez och skrattar. Det var din motoriska cortex. Nu ska vi försöka ge dig lite fosfener.

Neurologen placerar om staven och ställer in maskinen för en snabb serie pulser. Den här gången när hon skjuter känner jag en intensiv zzp-zzp-zzp , som om någon använde baksidan av min skalle som en dörrknackare. Sedan, även om mina ögon är vidöppna, ser jag något: en ljus horisontell linje blinkar över mitten av mitt synfält, tillsammans med två skimrande trianglar fyllda med vad som ser ut som tv-snö. Synen bleknar lika snabbt som den kom och lämnar en kort efterglöd.

Det här är som vad Berna kunde se, säger Fernandez. Förutom att hennes syn på världen var stabil så länge som signalen överfördes till hennes hjärna. Hon kunde också vända på huvudet och, med glasögonen på, se sig omkring i rummet. Det jag hade sett var bara inre fantomer av en elektriskt exciterad hjärna. Gómez kunde faktiskt nå ut och röra den värld hon tittade på för första gången på 16 år.

Dölj