Sheila Nirenberg: A prosthetic eye to treat blindness

Traduttore: Daniele Buratti Revisore: Elena Montrasio

I study how the brain processes

Io studio l'informazione nei processi

information. That is, how it takes

cerebrali. Ossia il modo di convogliare

information in from the outside world, and

le informazioni dal mondo esterno

converts it into patterns of electrical activity,

e convertirle in schemi di attività elettrica,

and then how it uses those patterns

e poi usarli per poter compiere

to allow you to do things --

delle azioni -

to see, hear, to reach for an object.

vedere, udire, prendere oggetti.

So I'm really a basic scientist, not

In realtà sono uno scienziato teorico,

a clinician, but in the last year and a half

ma nell'ultimo anno e mezzo ho cominciato

I've started to switch over, to use what

a sconfinare nella sperimentazione,

we've been learning about these patterns

usando quel che avevo imparato su questi schemi

of activity to develop prosthetic devices,

di attività per sviluppare congegni prostetici,

and what I wanted to do today is show you

e oggi volevo mostrarvi

an example of this.

uno di questi congegni.

It's really our first foray into this.

E' la prima volta che ne parlo in pubblico.

It's the development of a prosthetic device

E' lo sviluppo di una protesi

for treating blindness.

per il trattamento della cecità.

So let me start in on that problem.

Lasciate che vi spieghi il problema.

There are 10 million people in the U.S.

Vi sono 10 milioni di persone negli USA

and many more worldwide who are blind

e molte altre nel mondo che sono cieche

or are facing blindness due to diseases

o a rischio di cecità a causa di malattie

of the retina, diseases like

della retina, come

macular degeneration, and there's little

la degenerazione maculare,

that can be done for them.

per cui c'è poco da fare.

There are some drug treatments, but

Esistono cure farmacologiche,

they're only effective on a small fraction

ma funzionano solo per una piccola parte

of the population. And so, for the vast

della popolazione. Per la gran parte

majority of patients, their best hope for

dei pazienti l'unica speranza è poter

regaining sight is through prosthetic devices.

riacquistare la vista grazie a delle protesi.

The problem is that current prosthetics

Il problema è che le protesi esistenti

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

non funzionano bene. Sono ancora

limited in the vision that they can provide.

molto limitate nell'amplificazione della vista.

And so, you know, for example, with these

Ad esempio, sapete, con questi congegni

devices, patients can see simple things

i pazienti possono vedere oggetti semplici,

like bright lights and high contrast edges,

come luci brillanti o profili ad alto contrasto,

not very much more, so nothing close

non molto di più, niente che si avvicini

to normal vision has been possible.

alla normale capacità visiva.

So what I'm going to tell you about today

Ma oggi vi parlerò

is a device that we've been working on

di un congegno su cui ho lavorato

that I think has the potential to make

che credo abbia il potenziale

a difference, to be much more effective,

per essere diverso e molto più efficace,

and what I wanted to do is show you

e volevo mostrarvi come funziona.

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

Bene, ora faccio un passo indietro

little bit and show you how a normal retina

e vi mostro il funzionamento di una retina normale,

works first so you can see the problem

così capirete che tipo di problemi

that we were trying to solve.

abbiamo cercato di risolvere.

Here you have a retina.

Ecco una retina.

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

Dunque avete un'immagine, una retina e un cervello.

So when you look at something, like this image

Quando guardate qualcosa, come l'immagine

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

di questo bimbo, questa passa attraverso l'occhio

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

e arriva sulla retina, dove viene catturata

cells here, the photoreceptors.

da cellule chiamate fotorecettori.

Then what happens is the retinal circuitry,

Questo dà il via al circuito elettrico della retina,

the middle part, goes to work on it,

la parte centrale comincia a lavorarci

and what it does is it performs operations

ed effettua delle operazioni,

on it, it extracts information from it, and it

estraendo le informazioni

converts that information into a code.

e trasformandole in codici.

And the code is in the form of these patterns

Il codice prende la forma di impulsi elettrici

of electrical pulses that get sent

che vengono convogliati al cervello,

up to the brain, and so the key thing is

e dunque la cosa fondamentale

that the image ultimately gets converted

è che l'immagine viene trasformata

into a code. And when I say code,

in codice. E quando dico codice

I do literally mean code.

intendo letteralmente codice.

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

Questo schema di impulsi significa proprio "volto di bimbo",

and so when the brain gets this pattern

e quando gli impulsi arrivano al cervello,

of pulses, it knows that what was out there

questo capisce che si trova di fronte

was a baby's face, and if it

al viso di un bambino,

got a different pattern it would know

e se avesse ricevuto uno schema di impulsi

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

diverso, magari l'avrebbe associato

or another pattern would be a house.

a un cane o forse a un cavallo.

Anyway, you get the idea.

Ad ogni modo avete capito.

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

Naturalmente nella vita vera è tutto dinamico,

meaning that it's changing all the time,

cioè in continuo cambiamento,

so the patterns of pulses are changing

e gli schemi di impulsi cambiano sempre,

all the time because the world you're

perché il mondo che osservate

looking at is changing all the time too.

cambia in ogni istante.

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

Dunque è una cosa alquanto complicata.

thing. You have these patterns of pulses

Avete questi impulsi provenienti

coming out of your eye every millisecond

dagli occhi ogni millisecondo che dicono

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

al cervello cosa state vedendo.

So what happens when a person

E quello che succede quando una persona

gets a retinal degenerative disease like

ha una malattia degenerativa della retina,

macular degeneration? What happens is

come la degenerazione maculare,

is that, the front-end cells die,

è che le cellule, i fotoricettori

the photoreceptors die, and over time,

muoiono, e con il passare del tempo

all the cells and the circuits that are

tutte le cellule e i circuiti ad essi collegati

connected to them, they die too.

muoiono anche loro.

Until the only things that you have left

Finché l'unica cosa che rimane

are these cells here, the output cells,

sono queste cellule,

the ones that send the signals to the brain,

quelle che inviano i segnali al cervello,

but because of all that degeneration

ma a causa della degenerazione

they aren't sending any signals anymore.

non hanno più niente da trasmettere.

They aren't getting any input, so

Dato che non ricevono informazioni,

the person's brain no longer gets

al cervello non arriva più

any visual information --

nessuna informazione visiva -

that is, he or she is blind.

ossia si diventa ciechi.

So, a solution to the problem, then,

Perciò una soluzione potrebbe essere

would be to build a device that could mimic

un congegno che mimi le azioni svolte

the actions of that front-end circuitry

dai fotorecettori e che invii le informazioni

and send signals to the retina's output cells,

alle cellule preposte ai segnali in uscita dalla retina,

and they can go back to doing their

così che possano tornare al loro compito

normal job of sending signals to the brain.

di inviare i segnali al cervello.

So this is what we've been working on,

Dunque questo è ciò a cui stiamo lavorando

and this is what our prosthetic does.

e questo è ciò che riesce a fare la nostra protesi.

So it consists of two parts, what we call

E' costituita da due parti:

an encoder and a transducer.

un codificatore e un trasduttore.

And so the encoder does just

Quello che fa il codificatore

what I was saying: it mimics the actions

è mimare le azioni del circuito anteriore

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

della retina, in modo da raccogliere le immagini

in and converts them into the retina's code.

e convertirle in un codice che la retina comprende.

And then the transducer then makes the

E il trasduttore fa sì che le cellule

output cells send the code on up

della parte posteriore inviino il codice

to the brain, and the result is

al cervello, e il risultato

a retinal prosthetic that can produce

è una protesi retinica in grado di reagire

normal retinal output.

come una normale retina.

So a completely blind retina,

E così una retina completamente cieca,

even one with no front-end circuitry at all,

in cui sia assente il circuito anteriore,

no photoreceptors,

quello dei fotorecettori,

can now send out normal signals,

è ora in grado di inviare segnali normali,

signals that the brain can understand.

segnali che il cervello riesce a comprendere.

So no other device has been able

Nessun altro congegno è mai riuscito

to do this.

a fare tanto.

Okay, so I just want to take

Bene, voglio dirvi

a sentence or two to say something about

brevemente qualcosa sul codificatore

the encoder and what it's doing, because

e sul suo funzionamento, perché è davvero

it's really the key part and it's

la parte fondamentale ed è

sort of interesting and kind of cool.

ed è proprio interessante e forte.

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

Non so se 'forte' sia la parola più adatta,

you know what I mean.

ma sapete cosa intendo dire.

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

Dunque ciò che fa è sostituire

the retinal circuitry, really the guts of

il circuito retinico, la sua parte

the retinal circuitry, with a set of equations,

preminente, con una serie di equazioni

a set of equations that we can implement

che possiamo affidare ad un chip elettronico.

on a chip. So it's just math.

Si tratta solo di matematica.

In other words, we're not literally replacing

In altre parole, non stiamo proprio rimpiazzando

the components of the retina.

le parti della retina.

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

Non costruiamo un mini apparato

for each of the different cell types.

per ogni tipologia di cellule.

We've just abstracted what the

Abbiamo solo sintetizzato il compito

retina's doing with a set of equations.

della retina con una serie di equazioni.

And so, in a way, the equations are serving

E in un certo senso le equazioni costituiscono

as sort of a codebook. An image comes in,

un dizionario dei codici. Arriva un'immagine,

goes through the set of equations,

passa attraverso i sistemi di equazioni

and out comes streams of electrical pulses,

e ne esce sotto forma di impulsi elettrici,

just like a normal retina would produce.

proprio come li produrrebbe una normale retina.

Now let me put my money

Adesso lasciate

where my mouth is and show you that

che vi mostri, in pratica, come

we can actually produce normal output,

possiamo ottenere una visione normale,

and what the implications of this are.

e quali sono le implicazioni.

Here are three sets of

Qui abbiamo tre modalità

firing patterns. The top one is from

di elaborazione immagine. In alto,

a normal animal, the middle one is from

quella di un animale normale, al centro

a blind animal that's been treated with

di un animale cieco a cui è stato applicato

this encoder-transducer device, and the

il congegno codificatore-trasduttore, e in basso

bottom one is from a blind animal treated

quella di un animale cieco

with a standard prosthetic.

dotato di protesi standard.

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

Dunque in basso c'è l'ultima tecnologia

device that's out there right now, which is

disponibile oggi, costituita essenzialmente

basically made up of light detectors,

da rilevatori di luce, ma che non fa uso

but no encoder. So what we did was we

di codificatori. E così abbiamo realizzato

presented movies of everyday things --

dei filmati con immagini comuni -

people, babies, park benches,

persone, bambini, panchine,

you know, regular things happening -- and

insomma cose normali -

we recorded the responses from the retinas

e abbiamo registrato la risposta della retina

of these three groups of animals.

dei tre animali.

Now just to orient you, each box is showing

Ora, tanto per farvi capire, ogni riquadro mostra

the firing patterns of several cells,

gli schemi di attivazione di diverse cellule,

and just as in the previous slides,

e come per le immagini precedenti,

each row is a different cell,

ogni fila corrisponde a cellule diverse,

and I just made the pulses a little bit smaller

e ho rimpicciolito gli impulsi in modo

and thinner so I could show you

da farvi vedere una lunga

a long stretch of data.

serie di dati.

So as you can see, the firing patterns

Come potete vedere, gli schemi di attivazione

from the blind animal treated with

dell'animale cieco

the encoder-transducer really do very

con il codificatore-trasduttore si avvicinano

closely match the normal firing patterns --

di molto a quelli normali -

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

non è ancora perfetto, ma è abbastanza buono -

and the blind animal treated with

mentre per l'animale con la protesi

the standard prosthetic,

standard, i risultati

the responses really don't.

lasciano a desiderare.

And so with the standard method,

Perché con il metodo standard

the cells do fire, they just don't fire

le cellule si attivano,

in the normal firing patterns because

ma non secondo uno schema normale,

they don't have the right code.

perché non hanno il codice corretto.

How important is this?

Ma quanto è importante averlo?

What's the potential impact

Qual è l'impatto potenziale

on a patient's ability to see?

sulla capacità visiva di un paziente?

So I'm just going to show you one

Ora vi mostrerò un esperimento

bottom-line experiment that answers this,

concreto per farvelo capire,

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

e certamente dispongo di molti altri dati,

so if you're interested I'm happy

e se siete interessati sarò lieta

to show more. So the experiment

di condividerli con voi. L'esperimento

is called a reconstruction experiment.

si chiama esperimento di ricostruzione.

So what we did is we took a moment

Abbiamo preso un determinato fotogramma

in time from these recordings and asked,

della registrazione e ci siamo chiesti

what was the retina seeing at that moment?

cosa stesse vedendo la retina in quel momento.

Can we reconstruct what the retina

Possiamo ricostruire ciò che ha visto

was seeing from the responses

la retina in base alla reazione

from the firing patterns?

delle cellule?

So, when we did this for responses

E abbiamo fatto lo stesso

from the standard method and from

per le risposte da metodo standard

our encoder and transducer.

e quelle da codificatore-trasduttore.

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

Ora ve le mostro,

start with the standard method first.

e inizierò con il metodo standard.

So you can see that it's pretty limited,

Potete constatare che è alquanto limitato,

and because the firing patterns aren't

e dato che gli schemi di attivazione

in the right code, they're very limited in

non hanno il codice corretto, possono dirvi

what they can tell you about

ben poco di cio' che succede là fuori

what's out there. So you can see that

Capite che c'è qualcosa,

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

ma non è chiaro cosa sia quel qualcosa,

what that something is, and this just sort of

quindi torniamo

circles back to what I was saying in the

a quello che dicevo all'inizio,

beginning, that with the standard method,

che con il metodo standard i pazienti

patients can see high-contrast edges, they

percepiscono solo profili ad alto contrasto,

can see light, but it doesn't easily go

percepiscono la luce,

further than that. So what was

ma non molto di più. Qual era l'immagine?

the image? It was a baby's face.

il volto di un bambino.

So what about with our approach,

Ma che succede con il nostro metodo,

adding the code? And you can see

quando aggiungiamo il codice?

that it's much better. Not only can you

Va molto meglio. Non solo riuscite

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

a capire che è il viso di un bambino,

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

ma che è proprio di questo bambino,

really challenging task.

una cosa davvero difficile.

So on the left is the encoder

A sinistra l'immagine recepita

alone, and on the right is from an actual

dal solo codificatore, e a destra

blind retina, so the encoder and the transducer.

da una retina cieca, con l'ausilio del codificatore-trasduttore.

But the key one really is the encoder alone,

Ma la più importante è quella con il solo codificatore,

because we can team up the encoder with

dato che abbiamo la possibilità di abbinarlo

the different transducer.

a diversi trasduttori.

This is just actually the first one that we tried.

Questo è solo il primo che abbiamo provato.

I just wanted to say something about the standard method.

Volevo parlarvi un attimo del metodo standard.

When this first came out, it was just a really

Quando questo venne alla ribalta fu una cosa

exciting thing, the idea that you

entusiasmante, l'idea di riuscire

even make a blind retina respond at all.

a far funzionare una retina del tutto cieca.

But there was this limiting factor,

Ma c'era un fattore limitante,

the issue of the code, and how to make

il problema del codice e di come

the cells respond better,

far reagire meglio le cellule

produce normal responses,

perché rispondessero normalmente,

and so this was our contribution.

e questo è stato il nostro contributo.

Now I just want to wrap up,

Ora vorrei concludere,

and as I was mentioning earlier

e come vi dicevo prima,

of course I have a lot of other data

dispongo di molti altri dati,

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

se vi interessano, ma volevo lasciarvi

this sort of basic idea

con questa idea di base,

of being able to communicate

sulla possibilità di comunicare

with the brain in its language, and

con il cervello nel suo linguaggio

the potential power of being able to do that.

e sulle possibilità che questo dischiude.

So it's different from the motor prosthetics

Cosa diversa dalle protesi motorizzate

where you're communicating from the brain

in cui la comunicazione va dal cervello

to a device. Here we have to communicate

al congegno. Qui dobbiamo comunicare

from the outside world

il mondo esterno

into the brain and be understood,

al cervello e far sì

and be understood by the brain.

che possa essere compreso.

And then the last thing I wanted

E l'ultima cosa che volevo dire,

to say, really, is to emphasize

davvero, è sottolineare

that the idea generalizes.

come l'idea funzioni anche per altro.

So the same strategy that we used

La stessa strategia usata per trovare

to find the code for the retina we can also

il codice per la retina si può usare

use to find the code for other areas,

anche per i codici di altre aree,

for example, the auditory system and

ad esempio per il sistema uditivo

the motor system, so for treating deafness

e quello motorio, e dunque per il trattamento

and for motor disorders.

di sordità e di disordini motori.

So just the same way that we were able to

E come siamo riusciti ad aggirare

jump over the damaged

i circuiti danneggiati

circuitry in the retina to get to the retina's

della retina per raggiungere le cellule

output cells, we can jump over the

posteriori, possiamo aggirare

damaged circuitry in the cochlea

i circuiti danneggiati della coclea

to get the auditory nerve,

per raggiungere il nervo uditivo,

or jump over damaged areas in the cortex,

oppure oltrepassare le zone danneggiate

in the motor cortex, to bridge the gap

della corteccia cerebrale per colmare

produced by a stroke.

il divario creato da un ictus.

I just want to end with a simple

Volevo concludere con un semplice

message that understanding the code

messaggio: comprendere il codice

is really, really important, and if we

è estremamente importante,

can understand the code,

perché in questo modo,

the language of the brain, things become

conoscendo il linguaggio del cervello,

possible that didn't seem obviously

cose prima impossibili

possible before. Thank you.

diventano possibili. Grazie.

(Applause)

(Applausi)