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.
Tôi nghiên cứu cách não bộ xử lí thông tin. Nghĩa là, cách não bộ thu lượm thông tin từ thế giới bên ngoài, và chuyển nó thành các kiểu hình xung điện, và rồi cách não dùng các kiểu hình ấy để cho ta làm được mọi thứ -- để nhìn, nghe, để với lấy đồ vật. Thế, tôi thật sự là một nhà khoa học cơ bản, không phải là y sĩ, nhưng trong một năm rưỡi gần đây tôi đã bắt đầu chuyển qua lĩnh vực đó, để dùng cái mà chúng tôi đã tìm hiểu được về những kiểu hình hoạt động xung điện này để phát triển các thiết bị giả, và điều tôi muốn làm hôm nay là cho các bạn thấy một ví dụ. Đây thật sự là bước đi tiên phong của chúng tôi vào lĩnh vực này. Đó là sự phát triển của một thiết bị nhân tạo để chữa bệnh khiếm thị.
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.
Tôi sẽ mở đầu bằng vấn đề này nhé. Có 10 triệu người chỉ riêng ở nước Mỹ và rất nhiều người khác trên toàn thế giới bị khiếm thị hay là cận kề tình trạng khiếm thị do các bệnh về võng mạc, bệnh như là thoái hóa điểm vàng, và gần như là chẳng có biện pháp nào cứu chữa được cho họ cả. Có vài phương án chữa bệnh bằng thuốc, nhưng chúng chỉ hiệu quả trên một phần nhỏ trong tổng số người bệnh. Và thế là, với phần lớn người bệnh, hi vọng lớn lao nhất cho việc khôi phục thị lực được gửi gắm vào các thiết bị nhân tạo. Vấn đề là thiết bị nhân tạo hiện nay làm việc chưa tốt lắm. Thị lực mà chúng tạo ra vẫn vô cùng hạn chế. Và thế là, bạn biết đấy, ví dụ như, với những thiết bị này, bệnh nhân có thể thấy những vật thể đơn giản như là ánh sáng mạnh và các đường nét tương phản rõ ràng, ngoài ra không còn mấy nữa, tức là chưa thể đạt được gần mức thị lực bình thường.
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.
Điều tôi sẽ trình bày với các bạn hôm nay là một thiết bị chúng tôi đang phát triển mà tôi nghĩ có tiềm năng tạo ra sự khác biệt - có thể hiệu quả hơn nhiều - và điều tôi muốn làm là cho các bạn thấy nó hoạt động như thế nào. Vâng, giờ tôi sẽ quay lại một chút và trình bày cho các bạn màng lưới mắt bình thường hoạt động như thế nào, để bạn thấy được vấn đề ta cần giải quyết ở đây. Ở đây, bạn có một võng mạc. Bạn có hình ảnh, võng mạc, và não bộ. Khi bạn nhìn vào cái gì đó, như hình ảnh gương mặt em bé này, nó đi vào trong mắt bạn và tới võng mạc, vào các tế bào ở phần phía trước, tế bào cảm thụ ánh sáng. Và rồi điều sẽ xảy ra là mạng mạch trong võng mạc, phần giữa, xử lí thông tin, nhiệm vụ của nó là thực hiện các thao tác, thu thập thông tin từ hình ảnh, và chuyển thông tin đó thành một mật mã. Mật mã này ở dạng các kiểu hình xung điện, sẽ được gửi lên não, và thế là vấn đề chính là hình ảnh cuối cùng sẽ được chuyển hóa thành một mật mã. Và khi tôi dùng từ mật mã, ý tôi đúng là mật mã nghĩa đen. Như là kiểu hình các xung điện này thật sự nghĩa là "mặt em bé" và thế là khi não bộ nhận được kiểu hình xung điện này, nó biết cái ngoài kia là gương mặt một em bé, và nếu nó nhận được một kiểu hình khác, nó sẽ biết là cái ngoài kia, ví dụ nhé, là một chú chó, hoặc một kiểu hình khác sẽ có nghĩa là cái nhà. Đại khái bạn có thể hình dung đuợc rồi đấy.
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.
Và tất nhiên, trong đời thực, tất cả luôn biến chuyển, nghĩa là nó luôn luôn thay đổi, tức là các kiểu hình xung điện đang thay đổi liên tục bởi vì thế giới ta đang chiêm ngưỡng cũng đang liên tục thay đổi. Thế nên, bạn biết đấy, cái này khá phức tạp. Bạn có những kiểu hình xung điện này phát ra từ mắt mỗi phần nghìn của giây báo cáo cho não bộ bạn đang nhìn thấy cái gì. Thế nên, điều gì xảy ra khi một người mắc một chứng bệnh thoái hóa võng mạc như là thoái hóa điểm vàng? Điều xảy ra là, các tế bào phía trước chết đi, tế bào cảm thụ ánh sáng chết đi, và, qua thời gian, tất cả các tế bào và mạng mạch được nối với chúng cũng chết. Cho tới khi cái duy nhất anh còn lại là những tế bào này, tế bào đầu ra, các tế bào gửi tín hiệu lên não, nhưng bởi vì những sự thoái hóa nói trên, chúng không gửi tín hiệu nào nữa. Chúng không được cung cấp chút dữ liệu nào, nên não người bệnh không còn nhận được bất kì thông tin hình ảnh nào -- tức là, anh hoặc chị ấy đã bị khiếm thị.
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.
Thế, một giải pháp cho vấn đề này là xây dựng một thiết bị có thể mô phỏng các hoạt động của mạng lưới phía trước ấy và gửi tín hiệu cho các tế bào đầu ra của võng mạc, và các tế bào này có thể quay lại làm nhiệm vụ bình thường là gửi tín hiệu lên não. Thế, đây là vấn đề chúng tôi đang nghiên cứu, và đó chình là cái mà thiết bị nhân tạo của chúng tôi làm. Nó có hai phần mà chúng tôi gọi là bộ phận mã hóa và bộ phận dẫn truyền. Và bộ phận mã hóa làm chính cái việc tôi đang nói: nó mô phỏng các hoạt động của mạng lưới phía trước -- thế là nó trữ lại hình ảnh và chuyển hóa hình ảnh thành mật mã của võng mạc. Và rồi bộ phận dẫn truyền khiến các tế bào đầu ra gửi mật mã lên não, và kết quả là một võng mạc nhân tạo có thể tạo ra thành phẩm như võng mạc bình thường. Thế là, một võng mạc hoàn toàn không hoạt động, ngay cả một cái hoàn toàn không có mạng mạch phía trước, không có tế bào cảm thụ ánh sáng, giờ có thể gửi tín hiệu bình thường, tín hiệu mà não bộ có thể hiểu được. Không thiết bị nào khác cho tới nay có thể làm được điều này.
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.
Được rồi, thế tôi chỉ muốn dành một hoặc hai câu trình bày một chút về bộ phận mã hóa và hoạt động của nó, bởi vì nó thật sự là phần chủ chốt và nó khá là thú vị và "ngầu." Tôi không chắc "ngầu" có phải là từ đúng không, nhưng các bạn biết ý tôi rồi đấy. Và việc nó làm là, nó thay thế cho mạng mạch võng mạch, thực tế là phần chính của mạng mạch võng mạc, bằng một tập hợp các phương trình, một tập hợp các phương trình ta có thể cài trên một con chíp. Thế nên chỉ là toán học thôi. Nói cách khác, không phải ta đang thay thế các phần của võng mạc theo đúng nghĩa đen. Không phải như là chúng ta làm một thiết bị xinh xinh thu nhỏ cho mỗi loại tế bào khác nhau. Vừa đây chúng ta đã nói sơ lược về việc võng mạc làm gì với một tập hợp các phương trình rồi. Và thế là, theo một cách nào đó, các phương trình có vai trò như là cuốn sách giải mã. Một hình ảnh tới, được xử lí qua tập hợp các phương trình, và một chuỗi các xung điện được phát ra ngoài, cứ như một võng mạc bình thường tạo ra vậy.
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.
Nào, nói có chứng, hãy để tôi cho các bạn thấy rằng ta thật sự có thể tạo đầu ra bình thường, và ý nghĩa của việc này là như thế nào. Đây là ba tập hợp các kiểu hình được phát ra. Cái trên cùng là từ một động vật bình thường, cái ở giữa là từ một động vật mù đã được chữa bằng thiết bị mã hóa-dẫn truyền này, và cái dưới cùng là từ một động vật mù điều trị bằng thiết bị nhân tạo thông thường hiện nay. Thế, cái dưới cùng là thiết bị tối tân nhất có mặt trên thị trường hiện nay, làm từ các bộ phận cảm quan ánh sáng, nhưng không có bộ phận mã hóa. Thế, điều chúng tôi làm là chiếu phim của những vật thể hàng ngày -- con người, trẻ em, ghế đá công viên, bạn biết đến, những thứ vẫn xảy ra bình thường -- và chúng tôi ghi lại phản hồi từ võng mạc của ba nhóm động vật này. Nào, để định hướng cho các bạn nhé, mỗi ô cho thấy kiểu phát xung điện của vài tế bào, và cũng như trong các slide trước vậy, mỗi hàng là một tế bào khác nhau, và tôi chỉ làm các xung điện nhỏ hơn và hẹp hơn một chút, để tôi có thể cho các bạn thấy chuỗi dữ liệu dài hơn.
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?
Thế, như bạn thấy đấy, các kiểu hình phát xung điện từ động vật mù điều trị bằng thiết bị mã hóa-dẫn truyền thật sự là rất giống với kiểu hình bình thường -- và nó không hoàn hảo, nhưng nó khá là tốt -- và động vật mù điều trị bằng thiết bị nhân tạo thông thường, phản hồi thật sự không giống. Và thế là với phương pháp thông thường, các tế bào cũng phát tín hiệu, chỉ là chúng không phát ra các kiểu hình bình thường vì chúng không có mật mã đúng. Điều này quan trọng tới đâu? Đâu là tiềm năng ảnh hưởng lên khả năng nhìn của bệnh nhân? Thế, đơn giản tôi sẽ cho các bạn xem một thí nghiệm mấu chốt trả lời cho câu hỏi này, và dĩ nhiên tôi còn rất nhiều dữ liệu nữa, nên nếu các bạn có quan tâm, tôi rất hân hạnh được trình bày thêm. Thí nghiệm này được gọi là thí nghiệm tái tạo lại. Điều chúng tôi làm là chọn một thời điểm nhất định từ các bản lưu này và hỏi: Thời điểm đó võng mạc nhìn thấy cái gì? Liệu ta có thể tái tạo cái mà võng mạc đang nhìn thấy từ những phản hồi từ các kiểu hình phát xung điện không?
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.
Thế là, khi chúng tôi làm điều này với các phản hồi, từ phương pháp thông dụng và từ thiết bị mã hóa-dẫn truyền của chúng tôi. Để tôi cho các bạn thấy nhé, và tôi sẽ bắt đầu bằng phương pháp thông dụng trước. Các bạn có thể thấy rằng còn khá nhiều hạn chế, và bởi vì các kiểu hình phát điện không được mã hóa đúng, chúng rất hạn chế trong việc báo cho ta biết rằng có cái gì ngoài kia. Thế là, bạn có thể nhìn thấy ngoài kia có cái gì đấy, nhưng không rõ là "cái gì đấy" cụ thể là cái gì, và điều này đưa ta quay lại điểm mà tôi trình bày từ đầu, rằng với phương pháp thông dụng, bệnh nhân có thể thấy các đường nét tương phản sắc nét, họ có thể thấy ánh sáng, nhưng không dễ mà nhìn gì rõ hơn. Vậy hình ảnh đó là cái gì vậy? Đó là gương mặt một em bé. Thế còn phương pháp tiếp cận của chúng tôi, thêm mật mã vào thì sao? Và các bạn có thể thấy là tốt hơn nhiều. Bạn không chỉ có thể nói rằng đây là gương mặt một em bé, mà bạn còn có thể nói cụ thể đây là gương mặt em bé này, một nhiệm vụ khó khăn vô cùng. Phía bên trái là riêng bộ phận mã hóa thôi, và phía bên phải là từ một võng mạc bị mù thật, có cả bộ phận mã hóa và dẫn truyền. Nhưng điểm mấu chốt thật ra là chỉ mình bộ phận mã hóa thôi, vì chúng tôi có thể ghép bộ phận mã hóa này với bộ phận dẫn truyền khác.
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.
Đây thật ra chỉ là bộ phận dẫn truyền đầu tiên mà chúng tôi thử. Tôi chỉ muốn nói điều gì đó về phương pháp thông dụng. Khi mới xuất hiện, nó thật sự là một thứ vô cùng lý thú, cái ý tưởng rằng ta có thể làm cả một võng mạc bị mù phản ứng lại chút ít. Nhưng có tác nhân hạn chế này, sự phát ra mật mã, và làm sao để cho tế bào phản ứng tốt hơn, tạo ra các phản hồi bình thường, và thế là đây là đóng góp của chúng tôi. Giờ, đã đến lúc tôi kết thúc, và như tôi đã đề cập trước đây, dĩ nhiên tôi có rất nhiều dữ liệu khác nếu các bạn quan tâm, nhưng tôi chỉ muốn đưa ra ý tưởng cơ bản này về khả năng giao tiếp với não bộ bằng ngôn ngữ của nó, và sức mạnh tiềm tàng của khả năng đó. Điều này rất khác với thiết bị nhân tạo cơ học với đó bạn phải bắc cầu giao tiếp từ não bộ đến một thiết bị. Ở đây ta phải bắc cầu giao tiếp từ thế giới bên ngoài vào trong não, và được hiểu, được não hiểu.
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.
Và rồi, điều cuối cùng tôi muốn nói, thật sự thì, tôi muốn nhấn mạnh rằng ý tưởng này có thể tổng quát hóa lên được. Chính chiến lược mà chúng tôi sử dụng để tìm mật mã cho võng mạc, chúng tôi cũng có thể dùng để tìm mật mã cho các khu vực khác, ví dụ như hệ thính giác và hệ cơ xương, để điều trị khiếm thính và rối loạn chuyển động. Chính bằng cách chúng tôi bỏ qua mạng mạch bị hỏng hóc trong võng mạc để tới các tế bào đầu ra của võng mạc, ta cũng có thể bỏ qua mạng mạch bị hỏng hóc trong ốc tai để tới dây thần kinh thính giác, hay là bỏ qua các khu vực hư hỏng trong vỏ não, trong vùng vỏ não vận động, để trám vào khe hở mà đột quỵ tạo ra.
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.
Tôi chỉ muốn kết thúc bằng một thông điệp đơn giản rằng hiểu được mật mã thật sự, thật sự vô cùng quan trọng, và nếu ta có thể hiểu được mật mã, ngôn ngữ của não bộ, điều mà trước đây có vẻ không tưởng sẽ trở thành có thể. Xin cám ơn.
(Applause)
(Vỗ tay)