Sheila Nirenberg: A prosthetic eye to treat blindness

Fordító: Péter Pallós Lektor: Tímea Hegyessy

Az agy információfeldolgozását tanulmányozom.

Azt, hogyan fogadja be

I study how the brain processes

a külvilág információit,

information. That is, how it takes

hogyan alakítja elektromos jelek mintázataivá,

information in from the outside world, and

és hogyan használja e mintázatokat,

converts it into patterns of electrical activity,

hogy cselekedhessünk:

and then how it uses those patterns

lássunk, halljunk, s egy tárgyért nyúljunk.

to allow you to do things --

Alapkutatással foglalkozom,

to see, hear, to reach for an object.

nem vagyok gyógyító orvos,

So I'm really a basic scientist, not

de az utóbbi másfél évben kezdek váltani,

a clinician, but in the last year and a half

hogy amit e mintázatokról megismerünk,

I've started to switch over, to use what

alkalmazzam protetikai eszközök fejlesztésére.

we've been learning about these patterns

of activity to develop prosthetic devices,

Ma egy példát

szeretnék mutatni erről.

and what I wanted to do today is show you

Ez az első próbálkozásunk:

an example of this.

egy protetikai eszköz fejlesztése

It's really our first foray into this.

vakság kezelésére.

It's the development of a prosthetic device

Kezdjük a helyzet jellemzésével!

for treating blindness.

Az USA-ban tízmillió vak él,

So let me start in on that problem.

de a világon sokkal többen vannak;

There are 10 million people in the U.S.

van, akire vakság vár

and many more worldwide who are blind

a recehártya betegségei

or are facing blindness due to diseases

vagy a sárgafolt sorvadása miatt,

of the retina, diseases like

és nem sokat tehetünk értük.

macular degeneration, and there's little

Létezik gyógyszeres kezelés,

that can be done for them.

de csak a lakosság töredékénél hatásos.

There are some drug treatments, but

Ezért a betegek zöme

they're only effective on a small fraction

a protetikai eszközöktől reméli

of the population. And so, for the vast

látása visszanyerését.

majority of patients, their best hope for

Az a baj, hogy a jelenlegi eszközök

regaining sight is through prosthetic devices.

nem működnek valami jól.

The problem is that current prosthetics

Csak részben adják vissza a látást.

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

Az efféle eszközökkel

limited in the vision that they can provide.

egyszerű dolgokat láthatnak,

And so, you know, for example, with these

pl. fényeket, igen éles kontrasztokat,

devices, patients can see simple things

sokkal többet nem, semmi olyat,

like bright lights and high contrast edges,

ami megközelítené a normál látást.

not very much more, so nothing close

to normal vision has been possible.

Ma az általunk fejlesztett készülékről

fogok beszélni,

So what I'm going to tell you about today

amelyben megvan a lehetőség,

is a device that we've been working on

hogy változást hozzon, hatékonyabb legyen.

that I think has the potential to make

Bemutatom a működését.

a difference, to be much more effective,

Kezdjük kissé előbbről,

and what I wanted to do is show you

a recehártya normális működésével.

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

Így jobban érzékelik

little bit and show you how a normal retina

a megoldandó föladatot.

Ez a recehártya, a retina.

works first so you can see the problem

A képen a retina és az agy látható.

that we were trying to solve.

Ha erre a babaarcra nézünk,

Here you have a retina.

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

a képe bejut a szemünkbe,

ahol a recehártya felületi sejtjeire,

So when you look at something, like this image

a fényérzékeny receptorokra kerül.

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

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

A recehártya középső rétegében lévő

cells here, the photoreceptors.

idegi "áramkör" dolgozza föl a képet,

műveleteket végez rajta,

Then what happens is the retinal circuitry,

kinyeri belőle az információt,

the middle part, goes to work on it,

and what it does is it performs operations

és kóddá alakítja.

on it, it extracts information from it, and it

A kód elektromos impulzusok formájában

converts that information into a code.

jut be az agyba,

And the code is in the form of these patterns

of electrical pulses that get sent

ezért a döntő kérdés,

hogy a kép végül kóddá alakuljon át.

up to the brain, and so the key thing is

that the image ultimately gets converted

Amikor kódról beszélek,

ezt szó szerint értem.

into a code. And when I say code,

Ez az impulzusegyüttes azt jelenti: bébiarc,

I do literally mean code.

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

és mikor az impulzusegyüttes az agyba jut,

and so when the brain gets this pattern

az agy érti, miről van szó:

of pulses, it knows that what was out there

egy bébiarcról.

Ha más mintázatot kap, tudni fogja,

was a baby's face, and if it

hogy másról, pl. kutyáról

got a different pattern it would know

vagy házról van szó.

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

Tudatosítja a fogalmat.

or another pattern would be a house.

A valóságban a folyamat dinamikusan megy végbe,

Anyway, you get the idea.

vagyis állandóan változik,

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

az impulzusminta mindig változik,

meaning that it's changing all the time,

mivel környezetünk is

so the patterns of pulses are changing

állandóan változik.

all the time because the world you're

A folyamat elég bonyolult.

looking at is changing all the time too.

Ilyen impulzusegyüttesek érkeznek

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

ezredmásodpercenként a szemünkből,

thing. You have these patterns of pulses

és közlik az agyunkkal, mit látunk.

coming out of your eye every millisecond

Mi történik, amikor valaki

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

recehártya-sorvadásban,

So what happens when a person

pl. a sárgafolt-sorvadásban megbetegszik,

gets a retinal degenerative disease like

azaz elhalnak a felületi sejtek,

macular degeneration? What happens is

a fényérzékeny receptorok,

is that, the front-end cells die,

majd idővel a hozzájuk kapcsolódó

the photoreceptors die, and over time,

összes sejt is elhal.

all the cells and the circuits that are

Míg végül csak ezek maradnak meg,

connected to them, they die too.

Until the only things that you have left

a kilépő idegsejtek,

amelyek továbbítanák a jeleket az agyba,

are these cells here, the output cells,

de a sorvadás miatt

the ones that send the signals to the brain,

már nincs mit továbbítaniuk.

but because of all that degeneration

Nem kapnak bemenő jelet,

they aren't sending any signals anymore.

ezért a beteg agya többé már

They aren't getting any input, so

nem jut látásinformációhoz,

the person's brain no longer gets

ezért a páciens vak.

any visual information --

that is, he or she is blind.

A probléma megoldása,

hogy a felületi sejtek áramköreit utánzó

So, a solution to the problem, then,

eszközt alakítsunk ki,

would be to build a device that could mimic

amely jeleket küldhet a recehártya kilépő idegsejtjeibe,

the actions of that front-end circuitry

s működésüket fölújítva,

and send signals to the retina's output cells,

azok ismét jeleket küldhessenek az agyba.

and they can go back to doing their

Ezen dolgozunk,

normal job of sending signals to the brain.

a protézisünk erre képes.

So this is what we've been working on,

Két részből áll:

and this is what our prosthetic does.

a kódolóból és a jelátalakítóból.

So it consists of two parts, what we call

an encoder and a transducer.

A kódoló feladata utánozni

a felületi áramkörök működését:

And so the encoder does just

képeket fogad be,

what I was saying: it mimics the actions

és átalakítja őket a recehártya kódjaivá.

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

A jelátalakító útján a kilépő idegsejtek

in and converts them into the retina's code.

a kódot elküldik az agyba,

And then the transducer then makes the

és az eredmény:

output cells send the code on up

to the brain, and the result is

egy recehártya-protézis,

amely recehártya-kimeneti jelet állít elő.

a retinal prosthetic that can produce

Így a teljesen vak recehártya –

normal retinal output.

még teljesen hiányzó felületi áramkörök,

So a completely blind retina,

működésképtelen fényreceptorok esetén is

even one with no front-end circuitry at all,

rendes jeleket tud küldeni,

no photoreceptors,

amelyeket az agy képes értelmezni.

can now send out normal signals,

signals that the brain can understand.

Semmilyen más készülék

nem képes erre.

So no other device has been able

Egy keveset szólok

to do this.

a kódolóról

Okay, so I just want to take

és a feladatáról,

mert ez kulcskérdés,

a sentence or two to say something about

érdekes, és elég menő.

the encoder and what it's doing, because

it's really the key part and it's

Nem biztos, hogy a menő a legjobb szó rá,

sort of interesting and kind of cool.

de értik, mire gondolok.

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

A kódoló kiváltja

you know what I mean.

a recehártya áramkörének lényegét

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

egy egyenletrendszerrel,

the retinal circuitry, really the guts of

amelyet egy csipbe írhatunk.

the retinal circuitry, with a set of equations,

a set of equations that we can implement

Ez csak matek,

on a chip. So it's just math.

azaz a recehártya elemeit

nem szó szerint helyettesítjük.

In other words, we're not literally replacing

Nem készítünk egy-egy pici műszert

the components of the retina.

minden egyes sejttípushoz.

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

A recehártya feladatát

for each of the different cell types.

egy egyenletrendszerbe sűrítettük,

We've just abstracted what the

ezért ez szolgál egyfajta kódkönyvként.

retina's doing with a set of equations.

And so, in a way, the equations are serving

A bejutó kép

as sort of a codebook. An image comes in,

átmegy az egyenletrendszeren,

goes through the set of equations,

s a kimeneten elektromos impulzusok jelennek meg,

mint amilyeneket az ép recehártya képezne.

and out comes streams of electrical pulses,

just like a normal retina would produce.

Hogy ne a levegőbe beszéljek,

megmutatom, hogy képesek vagyunk

Now let me put my money

rendes kimenő jelet előállítani,

where my mouth is and show you that

és azt is, mi ennek a következménye.

we can actually produce normal output,

Ez itt három tüzelő mintázat.

and what the implications of this are.

A felső egy állaté,

Here are three sets of

a középső egy kódoló-jelátalakító eszközzel kezelt

firing patterns. The top one is from

a normal animal, the middle one is from

vak állaté,

a legalsó pedig

a blind animal that's been treated with

egy sztenderd protézissel kezelt

this encoder-transducer device, and the

állaté.

bottom one is from a blind animal treated

Az alsó a jelenleg kapható,

with a standard prosthetic.

lényegében fényérzékelőkből álló modern műszer,

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

de nincs benne kódoló.

device that's out there right now, which is

A próba abból állt,

basically made up of light detectors,

hogy mindennapi dolgokról:

emberekről, babákról, padokról szóló

but no encoder. So what we did was we

presented movies of everyday things --

filmet vetítettünk,

és rögzítettük az állatok e három csoportjának

people, babies, park benches,

recehártyáról érkező reakciót.

you know, regular things happening -- and

we recorded the responses from the retinas

Mindhárom ábra

of these three groups of animals.

több sejt tüzelő mintázatát mutatja,

Now just to orient you, each box is showing

s akárcsak az előző diákon,

the firing patterns of several cells,

minden sor egy-egy sejtet mutat.

and just as in the previous slides,

each row is a different cell,

Az impulzusokat lekicsinyítettem

and I just made the pulses a little bit smaller

és megritkítottam,

hogy hosszabb adatfolyamot mutathassak.

and thinner so I could show you

Látható, hogy a kódoló- jelátalakítóval kezelt

a long stretch of data.

So as you can see, the firing patterns

vak állat tüzelő mintázata

from the blind animal treated with

eléggé egybevág

the encoder-transducer really do very

a szokásos tüzelő mintázatokkal,

closely match the normal firing patterns --

s noha nem tökéletes, de elég jó.

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

A sztenderd protézissel kezelt

and the blind animal treated with

vak állat reagálása

the standard prosthetic,

viszont nem nagyon.

the responses really don't.

A sztenderd módszernél

a sejtek ugyan tüzelnek,

And so with the standard method,

de nem a normális tüzeléssel,

the cells do fire, they just don't fire

mert nincs meg a helyes kódjuk.

in the normal firing patterns because

Mennyiben fontos ez?

they don't have the right code.

Mennyire befolyásolja ez

How important is this?

a beteg látóképességét?

What's the potential impact

on a patient's ability to see?

Bemutatom a legfontosabb kísérletet,

amely választ ad erre.

So I'm just going to show you one

Sok más adatot is gyűjtöttem,

bottom-line experiment that answers this,

és ha kíváncsiak rájuk,

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

készséggel bemutatom őket.

so if you're interested I'm happy

Ez egy ún. rekonstrukciós kísérlet.

to show more. So the experiment

A fölvételekből kiválasztottunk

is called a reconstruction experiment.

egy pillanatot, és figyeltük,

So what we did is we took a moment

mit lát a recehártya e pillanatban.

in time from these recordings and asked,

Rekonstruálhatjuk-e,

what was the retina seeing at that moment?

amit a recehártya lát

Can we reconstruct what the retina

a tüzelő mintázatok válaszaiból?

was seeing from the responses

Elvégeztük mind a sztenderd módszerre,

from the firing patterns?

mind a kódoló-jelátalakító kialakítású

So, when we did this for responses

eszközre nézve.

from the standard method and from

Először bemutatom

our encoder and transducer.

a sztenderd módszer esetét.

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

Az eredmény eléggé korlátozott,

start with the standard method first.

és ha az impulzusminta

So you can see that it's pretty limited,

helytelenül van kódolva,

and because the firing patterns aren't

akkor kevés információt kapunk.

in the right code, they're very limited in

Valamit látunk,

what they can tell you about

de nemigen tudjuk kivenni, hogy az micsoda.

what's out there. So you can see that

Valamilyen köröket látunk.

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

Korábban beszéltem róla,

what that something is, and this just sort of

hogy a betegek a sztenderd módszernél

circles back to what I was saying in the

csak erős kontrasztokat,

beginning, that with the standard method,

fényt látnak, ennél többet nemigen.

patients can see high-contrast edges, they

Mi volt a képen?

can see light, but it doesn't easily go

Egy babaarc.

further than that. So what was

the image? It was a baby's face.

És ha a módszerünkhöz hozzáadjuk a kódot?

So what about with our approach,

A látás lényegesen megjavult.

adding the code? And you can see

Nemcsak általában egy babaarcot látunk,

hanem mondhatjuk,

that it's much better. Not only can you

hogy pontosan e baba arcát.

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

Ez pedig nem kis föladat.

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

A bal oldalon egyedül a kódoló van,

really challenging task.

jobbra a vak recehártya

So on the left is the encoder

a kódolóval és a jelátalakítóval.

alone, and on the right is from an actual

A lényeges a kódoló,

blind retina, so the encoder and the transducer.

mert a kódolót csatolhatjuk

különféle jelátalakítókhoz.

But the key one really is the encoder alone,

Ezt próbáltuk ki először.

because we can team up the encoder with

Szólnék pár szót a sztenderd módszerről.

the different transducer.

This is just actually the first one that we tried.

Amikor a módszer megjelent,

megdöbbenést váltott ki,

I just wanted to say something about the standard method.

hogy a vak recehártyát egyáltalán reagálásra késztettük.

When this first came out, it was just a really

exciting thing, the idea that you

De ott volt ez a korlátozó tényező,

even make a blind retina respond at all.

a kódok kérdése,

But there was this limiting factor,

és az, hogyan késztessük a sejteket

jobb, normális válaszra.

the issue of the code, and how to make

És itt jön a mi szerepünk.

the cells respond better,

produce normal responses,

Összefoglalva:

and so this was our contribution.

korábban említettem,

Now I just want to wrap up,

hogy sok egyéb adatunk is van, ha érdekli önöket.

and as I was mentioning earlier

Csak a fő elvről szólok most,

of course I have a lot of other data

nevezetesen:

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

hogyan közölhetünk valamit az aggyal

this sort of basic idea

a saját nyelvén,

of being able to communicate

és hogy milyen lehetőség rejlik ebben.

with the brain in its language, and

the potential power of being able to do that.

Ez eltér a motoros protézisektől,

ahol a közlés az agyból indul ki

So it's different from the motor prosthetics

a készülék irányába.

where you're communicating from the brain

Itt a külvilágból indul az agyba,

to a device. Here we have to communicate

from the outside world

és ott tudatosul

az információ.

into the brain and be understood,

Végezetül,

and be understood by the brain.

szeretném hangsúlyozni,

And then the last thing I wanted

hogy az ötlet általánosítható.

to say, really, is to emphasize

A recehártya kódolási módszerét

that the idea generalizes.

alkalmazhatjuk

So the same strategy that we used

más területeken is,

to find the code for the retina we can also

pl. a hallórendszer

use to find the code for other areas,

és a motorikus rendszer esetén,

for example, the auditory system and

tehát süketség és motorikus rendellenességek kezelésére.

the motor system, so for treating deafness

Azonos módszerrel,

and for motor disorders.

mint ahogy áthidaltuk a retina sérült áramkörét,

So just the same way that we were able to

hogy eljussunk kimeneti sejtjeihez,

jump over the damaged

áthidalhatjuk

circuitry in the retina to get to the retina's

a belső fül sérült csigajáratát is,

output cells, we can jump over the

hogy eljussunk a hallóideghez,

damaged circuitry in the cochlea

vagy áthidaljuk az agykéreg sérült területét

to get the auditory nerve,

a motoros kéregben,

or jump over damaged areas in the cortex,

szélütés okozta hatás kiküszöbölésére.

in the motor cortex, to bridge the gap

Egyszerű gondolattal fejezem be:

produced by a stroke.

a kód megértése

I just want to end with a simple

rendkívül fontos.

message that understanding the code

Ha megértjük a kódot, az agy nyelvét,

is really, really important, and if we

olyan dolgok válnak lehetségessé,

can understand the code,

amelyek eddig még sohasem.

the language of the brain, things become

Köszönöm.

possible that didn't seem obviously

(Taps)

possible before. Thank you.

(Applause)