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.
Badam przetwarzanie informacji przez mózg, Badam przetwarzanie informacji przez mózg, Mózg zamienia informacje z otoczenia na wzorce aktywności elektrycznej, co pozwala nam widzieć, słyszeć, chwytać przedmioty. widzieć, słyszeć, chwytać przedmioty. Jestem zwykłym naukowcem, ale przez ostatnie półtora roku, zaczęłam robić użytek z tego, czego nauczyliśmy się o tych wzorcach, by rozwinąć przyrządy protetyczne, a dziś chciałam wam pokazać przykład. a dziś chciałam wam pokazać przykład. To naprawdę nasza pierwsza próba. To udoskonalenie urządzenia protetycznego, używanego w leczeniu ślepoty.
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.
Pozwólcie, że od niego rozpocznę. 10 mln ludzi w samym USA cierpi na ślepotę lub ślepnie w wyniku chorób siatkówki, takich jak zwyrodnienie plamki żółtej, takich jak zwyrodnienie plamki żółtej, i nie bardzo można im pomóc. Są pewne terapie farmakologiczne, ale działają w niewielu przypadkach, Jak dotąd, dla większości pacjentów największą nadzieją na odzyskanie wzroku są protezy. Niestety dzisiejsze protezy nie działają zbyt dobrze. Dają mocno ograniczoną wizję. Przy pomocy tych protez, pacjenci mogą zobaczyć podstawowe rzeczy, jak jasne światła, brzegi o dużym kontraście, i niewiele więcej, czyli daleko im do normalnego widzenia.
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.
Dziś omówię urządzenie, nad którym pracujemy, które, według mnie, ma potencjał, i może okazać się skuteczniejsze. Chcę wam pokazać, jak działa. Pozwólcie, że najpierw pokażę wam, jak działa normalna siatkówka, by ukazać problem, który próbujemy rozwiązać. Tu mamy siatkówkę. Macie więc obraz siatkówki i mózgu. Kiedy np. patrzycie na zdjęcie dziecka, obraz trafia do oka i ląduje na siatkówce, na przednich komórkach, fotoreceptorach. Następnie, obwód siatkówkowy, jego środkowa część, dokonuje na nim operacji, pobiera informacje i zamienia je w kod. Kod to wzorce impulsów elektrycznych wysyłane do mózgu. Zmiana obrazu w kod ma kluczowe znaczenie. Zmiana obrazu w kod ma kluczowe znaczenie. Mówiąc "kod", mam na myśli dosłowny kod. Ta grupa impulsów to dosłownie "twarz dziecka", więc otrzymując taki wzór impulsów, mózg wie, że była to twarz dziecka. Gdyby otrzymał inny wzór, wiedziałby, że to pies, wiedziałby, że to pies, a jeszcze inny - dom. Na tym to polega.
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.
W życiu, to wszystko jest dynamiczne, czyli ulega ciągłym zmianom, wzorce impulsów zmieniają się bez przerwy. bo świat, na który patrzymy, również ulega ciągłym zmianom. To wszystko jest trochę skomplikowane. Wzorce impulsów wysyłane przez oko co milisekundę mówią mózgowi, co widać. Co się dzieje w przypadku choroby zwyrodnieniowej, np. zwyrodnienie plamki żółtej? Obumierają fotoreceptory, a z czasem umierają też wszystkie komórki i obwody połączone z fotoreceptorami. Na koniec zostają tylko te oto komórki, komórki wyjściowe, wysyłające sygnały do mózgu, ale z powodu zwyrodnienia, nie przesyłają żadnych sygnałów. Nie dostają żadnych informacji, więc mózg nie otrzymuje żadnej informacji wzrokowej, czyli następuje utrata wzroku.
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.
Rozwiązaniem problemu byłoby urządzenie, które imituje działanie tego obwodu i śle sygnały do komórek wyjściowych siatkówki, które mogą znów normalnie pracować i wysyłać sygnały do mózgu. Nad tym pracujemy i tak działa nasza proteza. Składa się z dwóch części: tzw. kodera i transformatora. Koder, jak mówiłam, imituje działanie obwodu siatkówki: otrzymuje obraz, który następnie przetwarza na kod siatkówkowy. Transformator sprawia, że komórki wyjściowe przesyłają kod do mózgu i proteza siatkówkowa może wytworzyć normalny obraz. Całkowicie ślepa siatkówka, nawet bez obwodu wzrokowego, bez fotoreceptorów, może normalnie przesyłać sygnały, sygnały zrozumiałe dla mózgu. Żadne inne urządzenie tego nie potrafi.
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.
Chcę powiedzieć kilka słów o koderze i jego funkcji, o koderze i jego funkcji, bo ma kluczowe znaczenie, a do tego jest interesujący i nawet fajny. "Fajny" to może nieodpowiednie słowo, ale wiecie, co mam na myśli. Koder zastępuje obwód siatkówkowy i jego podstawowe elementy zbiorem równań, który możemy umieścić na chipie. To czysta matematyka. Nie zastępujemy dosłownie elementów siatkówki. Nie robimy mini-urządzeń dla danych rodzajów komórek. Wyodrębniliśmy tylko to, co siatkówka robi z zestawem równań. W pewnym sensie, równania służą jako księga szyfrów. Obraz przechodzi przez zestaw równań, i zmienia się w wiązki impulsów elektrycznych, takich, jakie wytwarza normalna siatkówka.
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.
Pozwólcie, że poprę słowa czynem i pokażę, że można wygenerować normalny obraz i jakie są tego skutki. Mamy tu 3 zestawy wzorców wyładowań. Ten na samej górze, należy do zdrowego zwierzęcia, środkowy do ślepego, z urządzeniem kodująco-przetwarzającym, a na dole do ślepego zwierzęcia ze standardową protezą. To najnowsza proteza jaką można dziś dostać, zbudowana z czujników światła, ale bez kodera. Pokazaliśmy im filmy z ludźmi, dziećmi, parkowymi ławkami, zwykłymi, codziennymi rzeczami, i nagraliśmy reakcję z siatkówek tych trzech grup zwierząt. Każda ramka pokazuje wzorce wyładowań niektórych komórek, i jak na poprzednich slajdach, każdy rząd odpowiada innej komórce. Zmniejszyłam i zwęziłam impulsy by pokazać duży fragment danych. by pokazać duży fragment danych.
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?
Wzorce wyładowań u ślepego zwierzęcia z koderem-transformatorem są bliskie normalnym wzorcom wyładowań. Nie doskonałe, ale całkiem niezłe, w przeciwieństwie do efektu u ślepego zwierzęcia ze standardową protezą. W standardowej metodzie komórki wyładowują się, ale nie wg normalnych wzorców, bo nie mają odpowiedniego kodu. Jakie to ma znaczenie? Jak potencjalnie wpływa na zdolność widzenia pacjenta? Pokażę eksperyment końcowy, który da nam odpowiedź i mam oczywiście wiele innych danych, które chętnie pokażę zainteresowanym. Ten eksperyment to tzw. eksperyment rekonstrukcyjny. Wybraliśmy fragment nagrań i zadaliśmy pytanie, co w danym momencie widziała siatkówka? Czy możemy odtworzyć to, co widziała siatkówka wg reakcji wzorców wyładowań?
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.
Badaliśmy reakcje na metodę standardową i na nasz koder z transformatorem. Zobaczmy najpierw metodę standardową Jak widać, jest mocno ograniczona, ponieważ wzorce wyładowań nie są odpowiednio zakodowane, niewiele mogą powiedzieć. o świecie zewnętrznym. Coś tam widać, ale nie bardzo wiadomo co, czyli jak mówiłam na początku, w standardowej metodzie, pacjenci widzą zarysy o dużym kontraście, światło, ale niewiele więcej. Co było na zdjęciu? Twarz dziecka. A jeśli zastosujemy naszą metodę, dodając kod? Jest o wiele lepiej. Nie tylko widać, że to dziecko, ale da się tę twarz rozpoznać, co jest ambitnym zadaniem. Po lewej jest sam koder, a po prawej obraz ze ślepej siatkówki, czyli koder i transformator. Ale kluczową rolę odgrywa sam koder, bo można go połączyć z innym transformatorem.
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.
Spróbowaliśmy tego po raz pierwszy. Wróćmy jeszcze do metody standardowej. Kiedy na to wpadliśmy, podekscytowało nas, że ślepą siatkówkę można w ogóle zmusić do reakcji. Ale był również czynnik ograniczający: sprawa kodu oraz jak zmusić komórki do lepszego reagowania, do normalnej reakcji, i to był nasz wkład. Na zakończenie chcę dodać, że jak wspominałam wcześniej, mam masę innych danych, jeśli jesteście zainteresowani. Przedstawiłam tylko ogólny zarys umiejętności porozumienia z mózgiem w jego języku i siłę, jaką ta zdolność oferuje. W protetyce ruchowej mózg pacjenta zawiaduje urządzeniem. Tutaj ślemy do mózgu komunikaty z zewnątrz tak, by mózg nas zrozumiał. by mózg nas zrozumiał.
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.
Na zakończenie chcę podkreślić, Na zakończenie chcę podkreślić, że ta idea jest uniwersalna. Strategię odnalezienia kodu siatkówki można również zastosować do znalezienia kodu innych obszarów, np. układu słuchowego i układu ruchu, czyli w leczeniu głuchoty i zaburzeń ruchowych. Tak jak można przeskoczyć uszkodzony obwód w siatkówce, by dostać się do komórek wyjściowych, można również przeskoczyć uszkodzony obwód ślimakowy, by dostać się do nerwu słuchowego lub ominąć uszkodzone obszary w korze motorycznej, by wypełnić lukę spowodowaną udarem.
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.
Zakończę prostą informacją, że zrozumienie kodu jest naprawdę bardzo ważne, a jeśli zrozumiemy język mózgu, możliwe staną się rzeczy, które wydawały się niemożliwe. Dziękuję.
(Applause)
(Oklaski)