Sheila Nirenberg: A prosthetic eye to treat blindness

Sheila Nirenberg: Eine Augenprothese gegen Blindheit

Übersetzung: Constantin Lisson Lektorat: Brigitte Federi

I study how the brain processes

Ich erforsche, wie das Hirn

information. That is, how it takes

Informationen verarbeitet. Wie es

information in from the outside world, and

Informationen von der Außenwelt aufnimmt, und

converts it into patterns of electrical activity,

sie in Muster elektrischer Aktivität umwandelt.

and then how it uses those patterns

Und dann, wie es diese Muster nutzt,

to allow you to do things --

um uns Dinge tun zu lassen –

to see, hear, to reach for an object.

zu hören, zu sehen, nach einem Objekt zu greifen.

So I'm really a basic scientist, not

Ich bin also Grundlagenwissenschaftlerin,

a clinician, but in the last year and a half

keine Klinikärztin, aber über die vergangenen 1,5 Jahre

I've started to switch over, to use what

habe ich umgesattelt, um das, was wir

we've been learning about these patterns

über diese Muster herausgefunden haben

of activity to develop prosthetic devices,

zu nutzen, um Prothesen zu entwickeln,

and what I wanted to do today is show you

und ich würde Ihnen heute gerne

an example of this.

ein Beispiel dafür zeigen.

It's really our first foray into this.

Das ist unser erster Vorstoß in dieses Feld.

It's the development of a prosthetic device

Es handelt sich um die Entwicklung einer Prothese

for treating blindness.

zur Behandlung von Erblindung.

So let me start in on that problem.

Lassen Sie mich also mit dem Problem beginnen.

There are 10 million people in the U.S.

Es gibt in den USA 10 Millionen Menschen,

and many more worldwide who are blind

und weltweit weit mehr, die blind sind,

or are facing blindness due to diseases

oder erblindet sind aufgrund von Erkrankungen

of the retina, diseases like

der Netzhaut, Krankheiten wie

macular degeneration, and there's little

Makuladegeneration, und es gibt nicht viel,

that can be done for them.

das man für sie tun kann.

There are some drug treatments, but

Es gibt einige medikamentöse Behandlungen, aber

they're only effective on a small fraction

sie sind nur bei einem Bruchteil

of the population. And so, for the vast

der Bevölkerung effektiv. Und so sind

majority of patients, their best hope for

für die meisten Patienten die Prothesen

regaining sight is through prosthetic devices.

die beste Hoffnung, ihr Augenlicht wiederzuerlangen.

The problem is that current prosthetics

Das Problem ist, dass derzeitige Prothesen

don't work very well. They're still very

nicht sehr gut funktionieren. Sie sind noch immer sehr

limited in the vision that they can provide.

eingeschränkt im Bezug auf die Sicht, die sie bieten.

And so, you know, for example, with these

So können Patienten mit diesen Geräten

devices, patients can see simple things

zwar einfache Dinge sehen,

like bright lights and high contrast edges,

wie helles Licht und kontrastreiche Konturen,

not very much more, so nothing close

aber nicht viel mehr, also gab es bis jetzt nichts,

to normal vision has been possible.

das an das normale Sehen herankommt.

So what I'm going to tell you about today

Wovon ich Ihnen also heute erzählen möchte,

is a device that we've been working on

ist ein Gerät, an dem wir gearbeitet haben,

that I think has the potential to make

von dem ich denke, es hat das Potential,

a difference, to be much more effective,

einen Unterschied zu bewirken, viel effektiver zu sein,

and what I wanted to do is show you

und ich wollte Ihnen zeigen,

how it works. Okay, so let me back up a

wie es funktioniert. Lassen Sie mich also

little bit and show you how a normal retina

zuerst zeigen, wie eine normale Netzhaut arbeitet,

works first so you can see the problem

so dass Sie das Problem sehen,

that we were trying to solve.

das wir zu lösen versuchen.

Here you have a retina.

Hier haben wir eine Netzhaut.

So you have an image, a retina, and a brain.

Sie haben also ein Bild, eine Netzhaut, ein Gehirn.

So when you look at something, like this image

Wenn Sie also etwas ansehen, wie dieses Bild

of this baby's face, it goes into your eye

vom Gesicht dieses Babys, geht es in ihr Auge

and it lands on your retina, on the front-end

und trifft auf Ihre Netzhaut, auf die vorderen

cells here, the photoreceptors.

Zellen hier, die Fotorezeptoren.

Then what happens is the retinal circuitry,

Was dann passiert, ist, dass der Schaltkreis der Netzhaut,

the middle part, goes to work on it,

der mittlere Teil, aktiv wird,

and what it does is it performs operations

und er nimmt Informationen auf

on it, it extracts information from it, and it

und wandelt diese Informationen

converts that information into a code.

in einen Code um.

And the code is in the form of these patterns

Dieser Code ist in der Form dieser Muster

of electrical pulses that get sent

elektrischer Impulse, die hoch ins Gehirn

up to the brain, and so the key thing is

gesendet werden, und so ist das Wesentliche,

that the image ultimately gets converted

dass das Bild schließlich in einen Code

into a code. And when I say code,

umgewandelt wird. Und wenn ich Code sage,

I do literally mean code.

meine ich buchstäblich Code.

Like this pattern of pulses here actually means "baby's face,"

Diese Muster von Impulsen bedeuten also wirklich "Kindergesicht",

and so when the brain gets this pattern

und wenn das Gehirn also dieses Impulsmuster

of pulses, it knows that what was out there

empfängt, weiß es, dass das da draußen

was a baby's face, and if it

ein Kindergesicht war, und wenn es

got a different pattern it would know

ein anderes Muster empfinge, wüsste es,

that what was out there was, say, a dog,

dass da draußen beispielsweise ein Hund war,

or another pattern would be a house.

oder ein anderes Muster wäre ein Haus.

Anyway, you get the idea.

Wie auch immer, Sie können es sich vorstellen.

And, of course, in real life, it's all dynamic,

Und natürlich ist das alles in Wirklichkeit dynamisch,

meaning that it's changing all the time,

es verändert sich also ständig,

so the patterns of pulses are changing

also verändern sich die Impulsmuster

all the time because the world you're

ständig, weil sich die Welt, die Sie sich

looking at is changing all the time too.

ansehen, auch die ganze Zeit verändert.

So, you know, it's sort of a complicated

Wissen Sie, es ist eine ziemlich komplizierte

thing. You have these patterns of pulses

Sache. Sie haben diese Impulsmuster

coming out of your eye every millisecond

die aus Ihrem Auge kommen, millisekündlich,

telling your brain what it is that you're seeing.

und sie sagen Ihrem Gehirn, was Sie sehen.

So what happens when a person

Was passiert also, wenn jemand

gets a retinal degenerative disease like

eine netzhautdegenerative Erkrankung wie

macular degeneration? What happens is

Makuladegeneration erleidet? Was passiert ist,

is that, the front-end cells die,

dass die Zellen der Vorderseite sterben,

the photoreceptors die, and over time,

die Fotorezeptoren sterben, und im Laufe der Zeit

all the cells and the circuits that are

sterben auch alle anderen Zellen und

connected to them, they die too.

Kreisläufe, die mit ihnen verbunden sind.

Until the only things that you have left

Bis alles, was Ihnen übrig bleibt,

are these cells here, the output cells,

diese Zellen hier sind, die Ausgangszellen,

the ones that send the signals to the brain,

jene, die die Signale an das Gehirn senden,

but because of all that degeneration

aber wegen der starken Degeneration

they aren't sending any signals anymore.

senden sie diese Signale nicht mehr.

They aren't getting any input, so

Sie bekommen keine Eingangssignale, also

the person's brain no longer gets

erhält das Gehirn des Betroffenen

any visual information --

keine visuelle Information mehr –

that is, he or she is blind.

das bedeutet, er oder sie ist blind.

So, a solution to the problem, then,

Eine Lösung für das Problem wäre dann

would be to build a device that could mimic

ein Gerät zu entwickeln, dass das Verhalten

the actions of that front-end circuitry

der vorderseitigen Schaltungen imitiert

and send signals to the retina's output cells,

und Signale an die Ausgangszellen der Netzhaut schickt,

and they can go back to doing their

und diese können wieder an die Arbeit gehen,

normal job of sending signals to the brain.

und ihre Signale an das Gehirn senden.

So this is what we've been working on,

Daran haben wir also gearbeitet,

and this is what our prosthetic does.

und unsere Prothese tut folgendes.

So it consists of two parts, what we call

Sie besteht aus zwei Teilen, die wir

an encoder and a transducer.

Encoder und Transducer nennen.

And so the encoder does just

Und der Encoder macht genau

what I was saying: it mimics the actions

wonach er klingt: er imitiert die Aktionen

of the front-end circuitry -- so it takes images

der vorderseitigen Schaltungen - nimmt also Bilder

in and converts them into the retina's code.

und wandelt sie in den Code der Netzhaut um.

And then the transducer then makes the

Und der Transducer bringt dann die

output cells send the code on up

Ausgangszellen dazu, den Code an das

to the brain, and the result is

Gehirn weiterzuleiten, und das Ergebnis ist

a retinal prosthetic that can produce

eine Netzhautprothese, die einen normalen

normal retinal output.

Netzhaut-Output produziert.

So a completely blind retina,

Eine vollständig blinde Retina kann also,

even one with no front-end circuitry at all,

sogar ohne jegliche vorderseitige Schaltung,

no photoreceptors,

ohne Fotorezeptoren,

can now send out normal signals,

jetzt normale Signale aussenden,

signals that the brain can understand.

Signale, die das Gehirn verstehen kann.

So no other device has been able

Bisher war noch kein anderes Gerät

to do this.

hierzu imstande.

Okay, so I just want to take

Okay, ich möchte gerne

a sentence or two to say something about

einen oder zwei Sätze sagen über

the encoder and what it's doing, because

den Encoder und was er tut, denn

it's really the key part and it's

er ist das Schlüsselelement und

sort of interesting and kind of cool.

er ist ziemlich interessant und cool.

I'm not sure "cool" is really the right word, but

Ich bin nicht sicher, ob "cool" das richtige Wort ist

you know what I mean.

aber Sie verstehen schon.

So what it's doing is, it's replacing

Er ersetzt also

the retinal circuitry, really the guts of

die retinale Schaltung, also deren

the retinal circuitry, with a set of equations,

Kernbestandteile durch einen Satz Gleichungen,

a set of equations that we can implement

die wir in einen Chip implementieren können.

on a chip. So it's just math.

Es ist also nur Mathematik.

In other words, we're not literally replacing

In anderen Worten, wir ersetzen nicht wirklich

the components of the retina.

die Bestandteile der Netzhaut.

It's not like we're making a little mini-device

Es ist nicht, als ob wir ein winziges Gerät

for each of the different cell types.

für jeden Zelltypen entwerfen.

We've just abstracted what the

Wir haben einfach abstrahiert,

retina's doing with a set of equations.

was die Retina mit Gleichungen tut.

And so, in a way, the equations are serving

Und so dienen diese Gleichungen gewissermaßen

as sort of a codebook. An image comes in,

als eine Art Codebuch. Ein Bild kommt an,

goes through the set of equations,

passiert die Gleichungen,

and out comes streams of electrical pulses,

und heraus kommen Ströme elektrischer Impulse,

just like a normal retina would produce.

wie sie eine normale Netzhaut produzieren würde.

Now let me put my money

Lassen Sie mich nun

where my mouth is and show you that

konkreter werden und Ihnen zeigen, dass

we can actually produce normal output,

wir tatsächlich einen normalen Output produzieren können,

and what the implications of this are.

und was die Auswirkungen hiervon sind.

Here are three sets of

Hier haben wir die drei

firing patterns. The top one is from

Sätze von Sequenzmustern. Das Obere ist

a normal animal, the middle one is from

von einem normalen Tier, das Mittlere ist

a blind animal that's been treated with

von einem blinden Tier, das mit dieser

this encoder-transducer device, and the

Encoder-Transducer-Prothese behandelt wurde,

bottom one is from a blind animal treated

und das Unterste ist von einem blinden, mit einer

with a standard prosthetic.

normalen Prothese behandelten Tier.

So the bottom one is the state-of-the-art

Das Unterste ist also das aktuelle

device that's out there right now, which is

Gerät, das gerade jetzt draußen ist, das

basically made up of light detectors,

im Grunde aus Lichtdetektoren besteht,

but no encoder. So what we did was we

aber keinem Encoder. Was wir also taten

presented movies of everyday things --

war Videos von alltäglichen Dingen abzuspielen --

people, babies, park benches,

Menschen, Babies, Parkbänke,

you know, regular things happening -- and

Sie wissen schon, normale Dinge, die passieren – und

we recorded the responses from the retinas

wir filmten die Reaktionen der Netzhäute

of these three groups of animals.

dieser Gruppen von Tieren.

Now just to orient you, each box is showing

Nur um Ihnen Orientierung zu geben, jeder Kasten

the firing patterns of several cells,

zeigt die Impulsmuster verschiedener Zellen,

and just as in the previous slides,

und genau wie auf den vorherigen Folien,

each row is a different cell,

ist jede Reihe eine andere Zelle,

and I just made the pulses a little bit smaller

und ich habe nur die Impulse ein wenig skaliert

and thinner so I could show you

und dünner gemacht, um Ihnen einen

a long stretch of data.

langen Datenstreifen zu zeigen.

So as you can see, the firing patterns

Wie Sie also sehen können, stimmen die

from the blind animal treated with

Impulsmuster der mit dem Encoder-Transducer

the encoder-transducer really do very

behandelten Tiere weitgehend mit den

closely match the normal firing patterns --

normalen Impulsmustern überein –

and it's not perfect, but it's pretty good --

und sie sind nicht perfekt, aber ziemlich gut –

and the blind animal treated with

und bei dem blinden Tier, das mit der Standartprothese

the standard prosthetic,

behandelt wurde, tun das

the responses really don't.

die Antworten absolut nicht.

And so with the standard method,

Mit der Standardmethode also

the cells do fire, they just don't fire

feuern die Zellen, aber sie feuern nicht

in the normal firing patterns because

in den normalen Mustern, weil sie nicht

they don't have the right code.

den richtigen Code haben.

How important is this?

Wie wichtig ist das?

What's the potential impact

Was ist die mögliche Auswirkung

on a patient's ability to see?

auf das Sehvermögen des Patienten?

So I'm just going to show you one

Ich werde Ihnen jetzt ein Experiment zeigen,

bottom-line experiment that answers this,

das uns diese Frage beantwortet,

and of course I've got a lot of other data,

und natürlich habe ich noch viele andere Daten,

so if you're interested I'm happy

wenn Sie also interessiert sind, zeige ich

to show more. So the experiment

gerne mehr. Das Experiment

is called a reconstruction experiment.

ist ein Rekonstruktionsexperiment.

So what we did is we took a moment

Also, wir nahmen uns einen Zeitpunkt

in time from these recordings and asked,

während dieser Aufnahmen und fragten uns,

what was the retina seeing at that moment?

was die Netzhaut in diesem Moment sah.

Can we reconstruct what the retina

Können wir rekonstruieren, was die Netzhaut

was seeing from the responses

von den Antworten der

from the firing patterns?

Impulsmuster sah?

So, when we did this for responses

Das haben wir also mit den Antworten

from the standard method and from

der Standardmethode und unseres

our encoder and transducer.

Encoders und Transducers getan.

So let me show you, and I'm going to

Lassen Sie mich Ihnen das zeigen,

start with the standard method first.

ich werde mit der Standardmethode beginnen.

So you can see that it's pretty limited,

Sie können sehen, dass sie recht eingeschränkt ist,

and because the firing patterns aren't

und weil diese Impulsmuster nicht im

in the right code, they're very limited in

richtigen Code sind, sind sie sehr

what they can tell you about

eingeschränkt darin uns zu sagen,

what's out there. So you can see that

was da draußen ist. Sie sehen also, dass

there's something there, but it's not so clear

da etwas ist, aber es ist nicht wirklich klar,

what that something is, and this just sort of

was dieses Etwas ist, und damit kommen wir

circles back to what I was saying in the

wieder zu dem, was ich am Anfang sagte:

beginning, that with the standard method,

dass Patienten mit der Standardmethode

patients can see high-contrast edges, they

hochkontrastige Umrisse erkennen können,

can see light, but it doesn't easily go

Licht sehen können, aber es geht nicht

further than that. So what was

weiter als das. Was war das also

the image? It was a baby's face.

für ein Bild? Es war ein Babygesicht.

So what about with our approach,

Wie sieht es also mit unserem Ansatz aus,

adding the code? And you can see

den Code zu addieren? Sie können sehen,

that it's much better. Not only can you

dass es so viel besser ist. Nicht nur können Sie

tell that it's a baby's face, but you can

das Babygesicht erkennen, Sie können sogar

tell that it's this baby's face, which is a

erkennen, dass es das Gesicht dieses Babies ist,

really challenging task.

eine wirkliche Herausforderung.

So on the left is the encoder

Links ist also der Encoder alleine,

alone, and on the right is from an actual

und rechts sehen sie eine blinde Netzhaut,

blind retina, so the encoder and the transducer.

also Encoder und Transducer.

But the key one really is the encoder alone,

Aber der entscheidende Faktor ist wirklich der Encoder,

because we can team up the encoder with

weil wir den Encoder mit dem anderen Transducer

the different transducer.

zusammenbringen können.

This is just actually the first one that we tried.

Dieser hier ist der erste, den wir ausprobiert haben.

I just wanted to say something about the standard method.

Ich wollte nur etwas zur Standardmethode sagen

When this first came out, it was just a really

Als sie zunächst rauskam, war es eine

exciting thing, the idea that you

wirklich aufregende Sache, die Idee, dass

even make a blind retina respond at all.

man eine blinde Retina überhaupt anregen konnte.

But there was this limiting factor,

Aber es gab den limitierenden Faktor,

the issue of the code, and how to make

das Problem mit dem Code, und wie man

the cells respond better,

Zellen besser antworten lassen konnte,

produce normal responses,

um normale Reaktionen zu bewirken,

and so this was our contribution.

und das war also unser Beitrag.

Now I just want to wrap up,

Jetzt möchte ich nur zusammenfassen,

and as I was mentioning earlier

und wie ich früher schon erwähnte,

of course I have a lot of other data

habe ich natürlich noch viele Daten,

if you're interested, but I just wanted to give

falls Sie interessiert sind, aber ich wollte nur

this sort of basic idea

diese grundlegenden Daten geben,

of being able to communicate

in der Lage zu sein, mit dem Gehirn

with the brain in its language, and

in seiner Sprache zu kommunizieren,

the potential power of being able to do that.

und den potentiellen Möglichkeiten, die sich daraus ergeben.

So it's different from the motor prosthetics

Es ist hier anders als mit Bewegungsprothesen,

where you're communicating from the brain

wenn wir vom Gehirn aus mit einem Gerät

to a device. Here we have to communicate

kommunizieren. Hier müssen wir von

from the outside world

der Außenwelt aus in das Gehirn

into the brain and be understood,

kommunizieren und vom Gehirn

and be understood by the brain.

verstanden werden.

And then the last thing I wanted

Und zuletzt wollte ich

to say, really, is to emphasize

betonen, wirklich hervorheben,

that the idea generalizes.

dass die Idee Grundlagen schafft.

So the same strategy that we used

Also dieselbe Strategie, die wir benutzten,

to find the code for the retina we can also

um den Code der Netzhaut zu finden, können wir auch

use to find the code for other areas,

nutzen, um den Code für andere Bereiche zu finden,

for example, the auditory system and

wie zum Beispiel das auditive System und

the motor system, so for treating deafness

das motorische System, also um Taubheit

and for motor disorders.

und motorische Schäden zu heilen.

So just the same way that we were able to

Genauso wie wir in der Lage waren, die

jump over the damaged

beschädigten Areale zu umgehen,

circuitry in the retina to get to the retina's

um zu den Ausgangszellen der Netzhaut zu gelangen,

output cells, we can jump over the

können wir über beschädigte Verschaltungen

damaged circuitry in the cochlea

im Innenohr springen,

to get the auditory nerve,

um zum Hörnerv zu gelangen,

or jump over damaged areas in the cortex,

oder wir springen über beschädigte Areale des Kortex,

in the motor cortex, to bridge the gap

um im motorischen Kortex um eine Lücke zu schließen,

produced by a stroke.

die ein Schlaganfall verursacht hat.

I just want to end with a simple

Ich möchte gern abschließen mit der einfachen

message that understanding the code

Nachricht, dass den Code zu verstehen

is really, really important, and if we

wirklich sehr sehr wichtig ist, und wenn wir

can understand the code,

den Code verstehen können,

the language of the brain, things become

die Sprache des Gehirns, werden Dinge

possible that didn't seem obviously

möglich, die bisher offenbar nicht

possible before. Thank you.

möglich waren. Danke.

(Applause)

(Beifall)