أنا أدرس كيفية معالجة الدماغ للمعلومات .. أي كيفية استقباله للمعلومات من العال الخارجي ويحولها الى شفرات من الاشارات الكهربائية ومن ثم كيف يستخدم هذه الشفرات للسماح لنا بالرؤية والاستماع و لمس الاشياء في الحقيقة انا عالمة ولست بطبيبة .. ولكن في السنة والنصف الماضية بدأت أغير مجالي لكي أستخدم ما تعلمته عن تلك الشفرات من اجل تطوير الاجهزة الحسية المعطوبة وما أريد ان اريكم اياه اليوم هو مثال عن ذلك انه في الحقيقة العرض الاول لهذه الفكرة انه تطوير لجهاز صناعي لمعالجة العمي
I study how the brain processes information. That is, how it takes information in from the outside world, and converts it into patterns of electrical activity, and then how it uses those patterns to allow you to do things -- to see, hear, to reach for an object. So I'm really a basic scientist, not a clinician, but in the last year and a half I've started to switch over, to use what we've been learning about these patterns of activity to develop prosthetic devices, and what I wanted to do today is show you an example of this. It's really our first foray into this. It's the development of a prosthetic device for treating blindness.
دعوني أولا اتحدث في لب المشكلة هناك 10 ملايين شخص مصاب بالعمى في الولايات المتحدة الامريكية وهناك اكثر من هذا بكثير حول العالم وهم مصابون بالعمى تبعاً لأمراض اصابت الشبكية من مثل التنكس البقعي و لا يوجد الكثير مما يمكننا القيام به حيالهم هناك بعض الادوية ولكنها فعالة فقط على نسبة قليلة منهم ولكن من اجل الاغلبية فان معظمهم تشكل الاجهزة الصناعية افضل امل لهم من اجل استرجاع البصر ولكن المشكلة ان الاجهزة الصناعية الحالية لا تعمل بشكل جيد فهي ماتزال توفر رؤية محدودة فعلى سبيل المثال يمكن للمصابون بالعمي بواسطة الاجهزة الصناعية ان يروا الامور البسيطة مثل الاضواء الباهرة او الحواف متباينة الالوان وهذا ليس بالكثير .. وهو امر بعيد عن الرؤية الطبيعية التي كانت لديهم
So let me start in on that problem. There are 10 million people in the U.S. and many more worldwide who are blind or are facing blindness due to diseases of the retina, diseases like macular degeneration, and there's little that can be done for them. There are some drug treatments, but they're only effective on a small fraction of the population. And so, for the vast majority of patients, their best hope for regaining sight is through prosthetic devices. The problem is that current prosthetics don't work very well. They're still very limited in the vision that they can provide. And so, you know, for example, with these devices, patients can see simple things like bright lights and high contrast edges, not very much more, so nothing close to normal vision has been possible.
وما اريد ان اخبركم به اليوم هو جهاز كنا نعمل عليه واعتقد انه يملك الامكانية بان يصنع فارقاً فعالاً في ذلك المجال وما اريد ان افعله الان هو ان اريكم كيفية عمله .. ولكن دعوني اسهب أكثر عن كيفية عمل الشبكية الطبيعية من اجل ان تفطنوا للمشكلة التي نحاول حلها هنا ترون الشبكية لدينا صورة .. شبكية .. و دماغ لذا عندما تنظر الي شيء مثل هذه الصورة لوجه هذا الطفل .. يدخل الضوء من خلال عينيك ومن ثم يصل الى الشبكية على الخلايا الامامية هنا " المبصرات " وما يحدث حينها تقوم الشبكية الكهربائية في الجزء الاوسط بالعمل على تلك الاشعة وما تقوم به عبر عدة عمليات هو استخراج المعلومات وتحويلها الى شفرة والشفرة تشبه هذا النمط من النبضات الكهربائية التي ترسل الى الدماغ .. لذا فمحور عملية البصر هنا هو ان الصورة تتحول بصورة دائمة الى شفرة وعندما اقول شفرة فانا اعني حقا المعنى الحرفي للشفرة مثل هذا النمط من النبضات الذي يمثل صورة وجه الطفل وعندما يستقبل دماغك هذا النمط من النبضات .. يحلل ويعلم ما يوجد امامه ويميزه كوجه طفل وان كان استقبل نمط اخر من النبضات ستكون الاستجابة مختلفة كان يكون هناك كلب او منزل فالانماط ستتجاوب مع تلك الاختلافات أتمنى ان تكون الفكرة قد وصلت
So what I'm going to tell you about today is a device that we've been working on that I think has the potential to make a difference, to be much more effective, and what I wanted to do is show you how it works. Okay, so let me back up a little bit and show you how a normal retina works first so you can see the problem that we were trying to solve. Here you have a retina. So you have an image, a retina, and a brain. So when you look at something, like this image of this baby's face, it goes into your eye and it lands on your retina, on the front-end cells here, the photoreceptors. Then what happens is the retinal circuitry, the middle part, goes to work on it, and what it does is it performs operations on it, it extracts information from it, and it converts that information into a code. And the code is in the form of these patterns of electrical pulses that get sent up to the brain, and so the key thing is that the image ultimately gets converted into a code. And when I say code, I do literally mean code. Like this pattern of pulses here actually means "baby's face," and so when the brain gets this pattern of pulses, it knows that what was out there was a baby's face, and if it got a different pattern it would know that what was out there was, say, a dog, or another pattern would be a house. Anyway, you get the idea.
وطبعا في الحياة الاعتيادية تكون العملية ديناميكية اعني ان الصور تتغير باستمرار وانماط النبضات تتجواب مع ذلك التغير باستمرار طيلة الوقت لان العالم الذي نعيش فيه يتغير طيلة الوقت ايضاً لذا كما ترون الامر معقد لاننا نملك هذا النمط من النبضات التي تخرج من أعيننا كل ميلي ثانية وتخبر الدماغ ما الذي نراه ولكن ماذا يحدث مع الشخص حينما يصاب بمرض في الشبكية مثل التنكس البقعي ؟ .. ما يحدث هو ان الخلايا الامامية تموت وتموت المبصرات .. وعبر الزمن الخلايا الكهربائية التي تنتج النبضات والتي تتصل مع الخلايا تموت ايضا حتى يبقى شيء واحد فحسب وهو هذه الخلايا .. الخلايا التي تصدر المخرجات والاشارات الى الدماغ وبسبب المرض والتنكس فهي لا ترسل اي اشارات بسبب عدم وجود مدخلات وعليه فان دماغ الفرد لم يعد يستقبل اي معلومات بصرية وهذا يعني ان الشخص بات مصاب بالعمى
And, of course, in real life, it's all dynamic, meaning that it's changing all the time, so the patterns of pulses are changing all the time because the world you're looking at is changing all the time too. So, you know, it's sort of a complicated thing. You have these patterns of pulses coming out of your eye every millisecond telling your brain what it is that you're seeing. So what happens when a person gets a retinal degenerative disease like macular degeneration? What happens is is that, the front-end cells die, the photoreceptors die, and over time, all the cells and the circuits that are connected to them, they die too. Until the only things that you have left are these cells here, the output cells, the ones that send the signals to the brain, but because of all that degeneration they aren't sending any signals anymore. They aren't getting any input, so the person's brain no longer gets any visual information -- that is, he or she is blind.
والحل لهذه المشكلة اذا هو ان نبني جهاز يحاكي عمل الخلايا الامامية " المبصرات " ونقوم بارسال اشارات لمخرجات الشبكية ومن ثم يمكنها ان تعود الى عملها الطبيعي فترسل الاشارات الى الدماغ وهذا ما كنا نعمل عليه وهذا ما يقوم به جهازنا الصناعي انه يتكون من جزئين .. يمكننا ان نطلق تسمية مشفر بيانات .. و محول بيانات والمشفر يقوم بمحاكاة تماما ما تحدثث لكم عنه والذي تقوم به الخلايا الامامية انه يستقبل الصور ويقوم بتحويلها الى شفرة الشبكية ومن ثم يقوم محول البيانات بجعل خلايا المخرجات ترسل الشفرة الى الدماغ والنتيجة هي جهاز شبكية صناعي يمكنه ان يولد مخرجات بصرية طبيعية اي شبكية مصابة بالعمى تماما وحتى ان لم تكن تملك الخلايا الامامية المبصرة على الاطلاق وبدون مبصرات يمكنها الان ان تعود لمزاولة عملها وترسل شيفرات طبيعية شيفرات يمكن للدماغ من ان يفهمها لا يوجد جهاز آخر يمكنه القيام بذلك
So, a solution to the problem, then, would be to build a device that could mimic the actions of that front-end circuitry and send signals to the retina's output cells, and they can go back to doing their normal job of sending signals to the brain. So this is what we've been working on, and this is what our prosthetic does. So it consists of two parts, what we call an encoder and a transducer. And so the encoder does just what I was saying: it mimics the actions of the front-end circuitry -- so it takes images in and converts them into the retina's code. And then the transducer then makes the output cells send the code on up to the brain, and the result is a retinal prosthetic that can produce normal retinal output. So a completely blind retina, even one with no front-end circuitry at all, no photoreceptors, can now send out normal signals, signals that the brain can understand. So no other device has been able to do this.
حسناً .. أريد فحسب ان اتحدث بجملة او اثنتين عن هذا الامر اقصد عن المشفر و وظيفته لانه العنصر الاهم وهو امرٌ مثير و ممتع لا اظن ان كلمة ممتع هي الكلمة الملائمة لذلك تعلمون ما اقصده وما نقوم به هو إستبدال دارة الشبكية .. دارة الشبكية ذاتها بمجموعة من المعادلات التي يمكن برمجتها وتطبيقها على شريحة الكترونية .. ان الامر متعلق بالرياضيات فحسب بعبارة اخرى .. نحن لا نقوم حرفيا باستبدال عناصر الشبكية والامر ليس وكأننا نصنع جهاز مصغر لكل جزء من اجزاء الخلية نحن فقط نقوم فقط استنساخ ما تقوم به الشبكية بواسطة مجموعة من المعادلات بصورة ما المعادلات تمثل ما يمكن القول عنه انه دفتر شفرات .. حيث تصل الصورة عبر عدة مجموعات من المعادلات ومن ثم يتم بثها عبر تيار نبضات كهربائية كما تقوم به الشبكية تماما
Okay, so I just want to take a sentence or two to say something about the encoder and what it's doing, because it's really the key part and it's sort of interesting and kind of cool. I'm not sure "cool" is really the right word, but you know what I mean. So what it's doing is, it's replacing the retinal circuitry, really the guts of the retinal circuitry, with a set of equations, a set of equations that we can implement on a chip. So it's just math. In other words, we're not literally replacing the components of the retina. It's not like we're making a little mini-device for each of the different cell types. We've just abstracted what the retina's doing with a set of equations. And so, in a way, the equations are serving as sort of a codebook. An image comes in, goes through the set of equations, and out comes streams of electrical pulses, just like a normal retina would produce.
والان دعوني أريكم مربط الفرس لما كنت اقوله وكيف انه بالامكان ان ننتج مخرجات طبيعة وماهي تبعات ذلك هذه ثلاث نماذج من الانماط .. الاول من الاعلى هو نمط معين لكائن بصير .. والوسط هو نمط لجهاز بصري لكائن مصاب بالعمى تم معالجته بواسطة جهاز المشفر والناقل والثالث هو لكائن أعمى يتم معالجته بالاجهزة البديلة الصناعية وكما ترون في الاسفل انه النمط الموجود الان في الاسواق والذي يتكون في الاساس من مستقبلات ضوئية ولكن بدون مشفر .. ولكن ما قمنا به هو اننا عرضنا افلاما عن حياتنا الاعتيادية تتضمن الافراد و الاطفال و الحدائق كما تعلمون امورا اعتيادية تحدث من حولنا وقمنا بتسجيل استجابة الشبكية لكل تلك المشاهل تبعا للحالات الثلاث السابقة للكائن المدروس ولكي أوضح لكم .. كل مستطيل يوضح الاشارات والانماط لعدة خلايا وكما في اللوحة السابقة كل صف يمثل خلية مختلفة وقد قمت بتوضح النبض بصورة اصغر واضيق من اجل ان اتمكن من عرضه عليكم على مدى حزمة طويلة
Now let me put my money where my mouth is and show you that we can actually produce normal output, and what the implications of this are. Here are three sets of firing patterns. The top one is from a normal animal, the middle one is from a blind animal that's been treated with this encoder-transducer device, and the bottom one is from a blind animal treated with a standard prosthetic. So the bottom one is the state-of-the-art device that's out there right now, which is basically made up of light detectors, but no encoder. So what we did was we presented movies of everyday things -- people, babies, park benches, you know, regular things happening -- and we recorded the responses from the retinas of these three groups of animals. Now just to orient you, each box is showing the firing patterns of several cells, and just as in the previous slides, each row is a different cell, and I just made the pulses a little bit smaller and thinner so I could show you a long stretch of data.
وكما ترون الشفرات التي يتم اخراجها من الكائن الاعمى المعالج بواسطة المشفر والناقل هي تقريبا مماثلة تماما لتلك التي تخرج من الكائن السليم . انها ليست مثالية ولكنها جيدة حقاً واما عن تلك التي تخرج من الكائن الاعمى والمعالج بجهاز صناعي اعتيادي ليست بتلك الجودة فيما يحدث في الطريقة الاعتيادية هو ان الخلايا تطلق فعلا الانماط ولكنها لا تطلق الانماط الصحيحة لانها لا تستقبل الشفرات الصحيحة ولكن ما اهمية هذا ؟ وما هي تبعاته المترتبة على قدرة المريض على ان يرى ؟ سوف أريكم الآن خلاصة الابحاث التي تجيب على ذلك بالطبع لدي الكثير من الابحاث والمعلومات لذا ان كنتم مهتمين سوف أريكم بسعادة اكثر من هذا .. التجربة تدعى تجربة اعادة البناء ما فعلنا هو اننا اخذنا لحظة زمنية من هذه التسجيلات وطرحنا تساؤلاً ما الذي تراه الشبكية في هذه اللحظة ؟ هل يمكننا ان نعيد بناء ما تراه الشبكية بسبب الاستجابات الناتجة عن الانماط التي تنتج تبعا لها ؟
So as you can see, the firing patterns from the blind animal treated with the encoder-transducer really do very closely match the normal firing patterns -- and it's not perfect, but it's pretty good -- and the blind animal treated with the standard prosthetic, the responses really don't. And so with the standard method, the cells do fire, they just don't fire in the normal firing patterns because they don't have the right code. How important is this? What's the potential impact on a patient's ability to see? So I'm just going to show you one bottom-line experiment that answers this, and of course I've got a lot of other data, so if you're interested I'm happy to show more. So the experiment is called a reconstruction experiment. So what we did is we took a moment in time from these recordings and asked, what was the retina seeing at that moment? Can we reconstruct what the retina was seeing from the responses from the firing patterns?
عندما قمنا بهذا حيال الاستجابات من المفهوم الاساسي .. استطعنا صناعة المشفر و الناقل دعوني أريكم .. وسوف أبدأ .. بالمفهوم الاساسي الاول كما ترون ان الامر هنا محدود تقريباً ولان الانماط الصادرة ليست هي الشفرة الصحيحة .. فالنتائج محدودة وما يمكنهم ان يقولوا حيال ما يرونه .. هو انهم يرون شيئاً ولكن ليس على درجة من الوضوح لكي يميزوا ما هو هذا الامر .. وهذا يعود بنا الى ما كنت اقوله في البداية فيما يخص المفهوم الاساسي حيث المرضى يرون الحواف و التمايز فيما بينها ويرون الضوء ولكن لا يستطيعون بسهولة تميز ما هو ادق من هذا اذا ماهي تلك الصورة ؟ انها صورة وجه الطفل ولكن ماذا عن طريقتها باضافة الشفرة ؟ فسوف ترى ليس فقط افضل بكثير وليس فقط تستطيع تميز وجه الطفل ولكن يمكنك ان تميز لمن وجه الطفل هذا بسبب دقة التفاصيل وهي مهمة صعبة للغاية حسناً . على الجهة اليسرى ترون المشفر وعلى اليمين ترون صورة الشبكية المصابة بالعمى .. حسناً المشفر و المحول هنا ولكن الامر المحوري هو وجود المشفر بعيداً لاننا يجب ان نصل المشفر مع المحول الآخر
So, when we did this for responses from the standard method and from our encoder and transducer. So let me show you, and I'm going to start with the standard method first. So you can see that it's pretty limited, and because the firing patterns aren't in the right code, they're very limited in what they can tell you about what's out there. So you can see that there's something there, but it's not so clear what that something is, and this just sort of circles back to what I was saying in the beginning, that with the standard method, patients can see high-contrast edges, they can see light, but it doesn't easily go further than that. So what was the image? It was a baby's face. So what about with our approach, adding the code? And you can see that it's much better. Not only can you tell that it's a baby's face, but you can tell that it's this baby's face, which is a really challenging task. So on the left is the encoder alone, and on the right is from an actual blind retina, so the encoder and the transducer. But the key one really is the encoder alone, because we can team up the encoder with the different transducer.
انها التجربة الاولى التي قمنا بها اريد فقط ان اقول شيئاً عن المفهوم الاساسي عندما صدر هذا اولاً .كان الامر مشوقاً للغاية .. فكرة انه يمكن لشخص مصاب العمى بسبب شبكية معطوبة ان يتجاوب كانت فكرة رائعة ولكن كان هناك عامل يقوض هذا الامر وهو مشكلة الشفرة .. وكيف يمكننا توليده وتتجاوب الخلايا معه بصورة افضل لتنتج استجابات طبيعية وكانت هنا مساهمتنا في هذا النطاق الان يجب ان الخص الامر كله وكما اخبرتكم من قبل لدي الكثير من المعلومات ان كنتم مهتمين .. فسوف اعطيتها اياكم انها معلومات اولية تخص القدرة على التواصل مع الدماغ و لغته الخاصة والقدرة الكامنة في قدرتنا على ذلك ان الامر مختلف عن المحركات الصناعية التي تقوم بنقل معلومات من دماغك الى عضو صناعي .. فهنا علينا ان نتواصل من الخارج الى الداخل وعلى الدماغ فهم هذا التواصل فهماً جلياً
This is just actually the first one that we tried. I just wanted to say something about the standard method. When this first came out, it was just a really exciting thing, the idea that you even make a blind retina respond at all. But there was this limiting factor, the issue of the code, and how to make the cells respond better, produce normal responses, and so this was our contribution. Now I just want to wrap up, and as I was mentioning earlier of course I have a lot of other data if you're interested, but I just wanted to give this sort of basic idea of being able to communicate with the brain in its language, and the potential power of being able to do that. So it's different from the motor prosthetics where you're communicating from the brain to a device. Here we have to communicate from the outside world into the brain and be understood, and be understood by the brain.
ومن ثم اخر شيء اريد ان اقوله هو التاكيد على ان هذه الفكرة يمكن تعميمها ويمكن لهذه الاستراتيحية التي نستخدم لمعرفة شفرات الشبكية ان تستخدم لمعرفة باقي المناطق الجهاز السمعي على سبيل المثال والجهاز الحركي .. اي يمكن معالجة الصُم ومعالجة الاضطرابات الحركية بذات الطريقة التي تمكنا منها بالقفز فوق اعطاب الشبكية والوصول الى الخلايا البصرية ,, يمكننا ايضا القفز فوق قوقعة الاذن المعطوبة لكي نصل الى العصب السمعي ويمكننا القفز من فوق اجزاء القشرة الدماغية المعطوبة الى الجهاز الحركي و من ثم نعيد وصل الجسور العصبية بواسطة الصدمات
And then the last thing I wanted to say, really, is to emphasize that the idea generalizes. So the same strategy that we used to find the code for the retina we can also use to find the code for other areas, for example, the auditory system and the motor system, so for treating deafness and for motor disorders. So just the same way that we were able to jump over the damaged circuitry in the retina to get to the retina's output cells, we can jump over the damaged circuitry in the cochlea to get the auditory nerve, or jump over damaged areas in the cortex, in the motor cortex, to bridge the gap produced by a stroke.
واريد ان انهي هذه المحادثة برسالة بسيطة مفادها ان فهم الشفرة هو امر فعلا مهم جداً وان استطعنا فهم الشفرة ولغة الدماغ فان الامور المستحيلة سوف تغدو ممكنة والتي لم تكن كذلك من ذي قبل
I just want to end with a simple message that understanding the code is really, really important, and if we can understand the code, the language of the brain, things become possible that didn't seem obviously possible before. Thank you.
تصفيق
(Applause)