Sheila Nirenberg: A prosthetic eye to treat blindness

シーラ・ニーレンバーグ「失明した網膜への新たな補綴治療」

翻訳: Takahiro Shimpo 校正: Akinori Oyama

I study how the brain processes

私は脳の情報処理について

information. That is, how it takes

研究をしています

外界から受け取った情報を

information in from the outside world, and

converts it into patterns of electrical activity,

電気活動のパーターンに変換し

and then how it uses those patterns

人はこのパターンを使って 見たり 聞いたり

to allow you to do things --

to see, hear, to reach for an object.

ものに手を伸ばしたりと

行動を取っているのです

So I'm really a basic scientist, not

私は臨床医ではなく

a clinician, but in the last year and a half

基礎科学者なのですが

I've started to switch over, to use what

この1年半で得た活動パターンの

we've been learning about these patterns

知識を応用して人工器官の

of activity to develop prosthetic devices,

開発を始めました

and what I wanted to do today is show you

人工器官の応用例を

an example of this.

お見せします

It's really our first foray into this.

これは失明に対して

It's the development of a prosthetic device

人工器官を利用する

for treating blindness.

私たちの初の試みです

So let me start in on that problem.

失明で苦しんでいる方と

There are 10 million people in the U.S.

黄斑変性などの網膜の

and many more worldwide who are blind

疾病により失明のリスクを

or are facing blindness due to diseases

抱える人は米国に1000万人

of the retina, diseases like

世界中にも数多くいます

macular degeneration, and there's little

that can be done for them.

現在これらの人々に対し ほとんど何もできません

There are some drug treatments, but

薬物療法もありますが

効力を発揮するのは

they're only effective on a small fraction

一握りの患者だけです

of the population. And so, for the vast

ですから大抵の場合は 人工器官による

majority of patients, their best hope for

regaining sight is through prosthetic devices.

視覚回復が頼みの綱となります

The problem is that current prosthetics

問題点は 現在出回っている装置は

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

十分に機能しないことです

回復できる視力に 大きな制限があります

limited in the vision that they can provide.

And so, you know, for example, with these

例えば 明るい光や

devices, patients can see simple things

高いコントラストの縁を持つ物体なら

like bright lights and high contrast edges,

見えるようになりますが

not very much more, so nothing close

これが限界で 正常な視覚には

to normal vision has been possible.

ほど遠いというのが現状です

So what I'm going to tell you about today

本日 紹介するのは

is a device that we've been working on

私たちが研究を続けてきた

that I think has the potential to make

より効果的で 失明治療の

a difference, to be much more effective,

分岐点になりうる装置です

and what I wanted to do is show you

その仕組みをお見せします

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

その前に

little bit and show you how a normal retina

まず私たちが解決を目指す課題を

works first so you can see the problem

ご理解頂くために 健康な網膜の

働きを簡単に説明します

that we were trying to solve.

左側が映像で 次に網膜―

Here you have a retina.

右側が脳です

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

目にこの赤ん坊のような

So when you look at something, like this image

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

映像が飛び込んできた際に

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

網膜最前列の

光受容器がこれを受け取ります

cells here, the photoreceptors.

次に中間部の

Then what happens is the retinal circuitry,

網膜回路が作動します

the middle part, goes to work on it,

受け取った情報を計算処理し

and what it does is it performs operations

on it, it extracts information from it, and it

情報を抽出して

これをコードに書き換えます

converts that information into a code.

And the code is in the form of these patterns

電気パルスのパターンがコードの形式で

of electrical pulses that get sent

これが脳に送られます

up to the brain, and so the key thing is

ここで映像が最終的には コード化されるという点が

that the image ultimately gets converted

into a code. And when I say code,

大切になります

I do literally mean code.

文字通りコード化です

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

画面上のパルスのパターンは 「赤ん坊の顔」を表しており

and so when the brain gets this pattern

脳がこのパターンを受け取ると

of pulses, it knows that what was out there

脳は目に映ったものは

was a baby's face, and if it

赤ん坊の顔だと認識し

got a different pattern it would know

異なるパターンを受信すれば

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

犬や家といった

or another pattern would be a house.

異なる像を認識します

Anyway, you get the idea.

大まかにはこんなところです

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

実世界ではすべてが動的で

meaning that it's changing all the time,

常に変化しています

so the patterns of pulses are changing

目に映る外界が常に変るように

all the time because the world you're

パルスのパターンも常に

looking at is changing all the time too.

変化します

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

まぁ 少し複雑なものなんです

thing. You have these patterns of pulses

パルスのパターンはミリ秒単位で

coming out of your eye every millisecond

目から送信され脳に

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

何を見ているのかを伝えます

So what happens when a person

さて黄斑変性のような

網膜変性疾患を患った場合には

gets a retinal degenerative disease like

網膜に何が起こるのでしょう？

macular degeneration? What happens is

時間と共に 最前列の光受容器細胞が

is that, the front-end cells die,

the photoreceptors die, and over time,

死滅するだけでなく

all the cells and the circuits that are

これに繋がっている細胞や網膜回路も

connected to them, they die too.

全て死滅してしまいます

Until the only things that you have left

最終的に残るのは

are these cells here, the output cells,

脳に情報を送信する

the ones that send the signals to the brain,

出力細胞のみです

but because of all that degeneration

しかしこれも変性の後は

they aren't sending any signals anymore.

シグナルを送ることがなくなります

They aren't getting any input, so

入力がなくなるので

the person's brain no longer gets

脳に送信されるはずであった

any visual information --

視覚情報が失われます

これが失明という状態です

that is, he or she is blind.

So, a solution to the problem, then,

さて対処法はというと

would be to build a device that could mimic

網膜の光受容器と網膜回路の働きを

the actions of that front-end circuitry

模倣する装置をつくり

and send signals to the retina's output cells,

網膜の出力細胞に信号を送り

and they can go back to doing their

脳への視覚情報の送信を

normal job of sending signals to the brain.

復旧するというものです

So this is what we've been working on,

これが私たちの研究課題でした

and this is what our prosthetic does.

そしてこれが人工器官のすることです

So it consists of two parts, what we call

エンコーダとトランスデューサ(変換器)の

an encoder and a transducer.

２部分で構成されています

And so the encoder does just

このエンコーダが網膜前部の

what I was saying: it mimics the actions

映像の受信と

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

そのコード化の

in and converts them into the retina's code.

プロセスを代行します

And then the transducer then makes the

次にトランスデューサが

output cells send the code on up

コードを出力細胞へ渡し 脳へコードが送られます

to the brain, and the result is

こうして この人工器官は

a retinal prosthetic that can produce

通常の網膜出力を再現します

normal retinal output.

So a completely blind retina,

こうすることで 光受容器や

even one with no front-end circuitry at all,

前段の網膜回路を失った

no photoreceptors,

失明状態であっても

can now send out normal signals,

脳が解釈できるような

signals that the brain can understand.

通常通りの信号を送れるのです

So no other device has been able

これはどのような装置も

to do this.

今まで成し得なかったことです

Okay, so I just want to take

さてこの装置の

中核であるエンコーダについて

a sentence or two to say something about

もう少しお話しします

the encoder and what it's doing, because

興味深く カッコいい部分でもあります

it's really the key part and it's

sort of interesting and kind of cool.

「カッコいい」という言葉が 適切かどうかは分かりませんが

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

言いたいことはお分かりでしょう

you know what I mean.

ここでは網膜回路の ―

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

the retinal circuitry, really the guts of

実際にはその中で行われている

the retinal circuitry, with a set of equations,

複雑な計算を電子チップで

a set of equations that we can implement

再現しているのです

on a chip. So it's just math.

In other words, we're not literally replacing

純粋に計算処理なんですよ

つまり網膜の構成細胞を 代替しているのではなく

the components of the retina.

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

全ての細胞の異なる役割に対応する

マイクロデバイスを

for each of the different cell types.

作っているのでもありません

網膜の働きを一連の数式として

We've just abstracted what the

retina's doing with a set of equations.

抽象化しているのです

And so, in a way, the equations are serving

ある意味この計算式が

as sort of a codebook. An image comes in,

暗号表の役割を果たしています

goes through the set of equations,

通常の網膜が行うように

映像が受信され 一連の計算がされ

and out comes streams of electrical pulses,

just like a normal retina would produce.

電気パルスの流れに書き換えられるのです

Now let me put my money

この装置を利用して

where my mouth is and show you that

正常な出力ができることと

この進歩が意味することには 自信があります

we can actually produce normal output,

and what the implications of this are.

ここでそれをお見せします

Here are three sets of

これは３種類の神経発火パターンです

firing patterns. The top one is from

一番上は盲目でない動物からの記録で

a normal animal, the middle one is from

真ん中が私たちの

a blind animal that's been treated with

人工器官で治療を受けた

this encoder-transducer device, and the

盲目動物からの信号記録です

bottom one is from a blind animal treated

下が従来の人工器官を使用した

with a standard prosthetic.

盲目動物からの信号記録です

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

下の記録はエンコーダを持たない

光検出器を利用した

device that's out there right now, which is

現在利用されている中では

basically made up of light detectors,

最先端機器を使用した信号記録です

but no encoder. So what we did was we

それぞれに対して 人間、赤ん坊

presented movies of everyday things --

公園のベンチなど日常生活で

people, babies, park benches,

目にする映像を見せた後の

you know, regular things happening -- and

先ほどの3種類の状態の

we recorded the responses from the retinas

網膜の反応を記録しました

of these three groups of animals.

Now just to orient you, each box is showing

3つの図には 条件毎の 数個の網膜細胞の

the firing patterns of several cells,

発火パターンが示されており

and just as in the previous slides,

先ほどのスライドと同様に 横方向に

each row is a different cell,

異なる細胞からのパターンを示します

and I just made the pulses a little bit smaller

データ全体を見やすくする

and thinner so I could show you

便宜上 パルス信号を

a long stretch of data.

縮小して表示してあります

So as you can see, the firing patterns

ご覧の通りエンコーダと

from the blind animal treated with

トランスデューサを使用した

the encoder-transducer really do very

2番目の盲目グループの発火パターンは

closely match the normal firing patterns --

完璧ではないものの

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

正常なものと大差有りません

and the blind animal treated with

従来の人工器官を

the standard prosthetic,

使用した3番目のグループは

the responses really don't.

信号がほとんど一致しません

And so with the standard method,

つまり従来の方法では 送信はするものの

the cells do fire, they just don't fire

正しくコード化されていないために

in the normal firing patterns because

正常な発火パターンを

they don't have the right code.

発生できないのです

How important is this?

その重要性は？

What's the potential impact

患者の視覚能力に

on a patient's ability to see?

どのような影響を及ぼすのでしょう？

So I'm just going to show you one

この質問に解答を与える

bottom-line experiment that answers this,

決定的な実験を 一つお見せします

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

他にもデータはたくさんありますので

so if you're interested I'm happy

興味の有る方にはお見せいたします

to show more. So the experiment

is called a reconstruction experiment.

これは再構築実験と

呼ばれています

So what we did is we took a moment

パターン記録の一部分を抜き出し

in time from these recordings and asked,

そこで網膜は何を見ていたのかを 確認するというものです

what was the retina seeing at that moment?

Can we reconstruct what the retina

さて発火パターンから

was seeing from the responses

網膜が見ていた映像を

from the firing patterns?

再構築できるのでしょうか？

So, when we did this for responses

この実験では私たちの装置と

from the standard method and from

従来の装置の両方で

our encoder and transducer.

再構築力を確認しました

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

それでは結果ですが

start with the standard method first.

従来の装置ではこうなりました

So you can see that it's pretty limited,

かなり限定的です

and because the firing patterns aren't

発火パターンが 正しくコード化されておらず

in the right code, they're very limited in

何かがあるのは分かりますが

what they can tell you about

それが何かは分かりません

what's out there. So you can see that

先ほどお話しした通り

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

高コントラスト部や

what that something is, and this just sort of

明るい部分しか見えず

circles back to what I was saying in the

beginning, that with the standard method,

それ以上は分かりません

patients can see high-contrast edges, they

can see light, but it doesn't easily go

further than that. So what was

実際の映像はなんだったのでしょう？

the image? It was a baby's face.

赤ん坊の顔です

So what about with our approach,

さて コードに変換する私たちの

adding the code? And you can see

アプローチはどうでしょうか？

that it's much better. Not only can you

ずっといいですね

赤ん坊の顔だと分かるだけでなく

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

元の映像と同じ赤ん坊だと認識できます

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

これは本当に大変な作業なんですよ

really challenging task.

So on the left is the encoder

左側はエンコーダ単体を使用したもので

alone, and on the right is from an actual

右側はエンコーダとトランスデューサの

blind retina, so the encoder and the transducer.

両方を使用した 盲目の網膜からの映像です

But the key one really is the encoder alone,

しかしここでの鍵は エンコーダのみの場合です

because we can team up the encoder with

エンコーダは 色々なトランスデューサと

組み合わせられるからです

the different transducer.

実はこれが初めての実験なんですよ

This is just actually the first one that we tried.

従来の方法にもコメントしておきましょう

I just wanted to say something about the standard method.

盲目の網膜を多少でも 反応させられるなんて

When this first came out, it was just a really

exciting thing, the idea that you

発表された当時は

even make a blind retina respond at all.

本当に心躍らされました

But there was this limiting factor,

しかし 制約がありました

細胞をよりよく反応させ

the issue of the code, and how to make

正常な反応を引き出すための

the cells respond better,

コードの問題です

produce normal responses,

私たちがこれらを解決しました

and so this was our contribution.

Now I just want to wrap up,

まとめると 本日は 脳自身の言葉で

and as I was mentioning earlier

脳に情報伝達が可能なこと

of course I have a lot of other data

そして その可能性が持つ 潜在力について

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

基本的な考え方をお話ししました

this sort of basic idea

先ほど申し上げたとおり

of being able to communicate

データは他にいくらでもありますので

with the brain in its language, and

興味のある方には

the potential power of being able to do that.

お見せいたします

So it's different from the motor prosthetics

この人工器官は運動系装置のように

where you're communicating from the brain

脳からの信号を装置に伝えている わけではありません

to a device. Here we have to communicate

from the outside world

外界の情報を脳に

into the brain and be understood,

伝え これが脳に

and be understood by the brain.

理解されることが重要なのです

And then the last thing I wanted

最後に強調してお伝えしたいのは

to say, really, is to emphasize

この考え方は

that the idea generalizes.

一般化できるという点です

So the same strategy that we used

私たちが網膜のコードを解明した手順を

to find the code for the retina we can also

聴覚や運動系に対応する

use to find the code for other areas,

コード発見に活用することで

for example, the auditory system and

聴覚障害や運動障害も

the motor system, so for treating deafness

治療することが可能です

and for motor disorders.

So just the same way that we were able to

障害された網膜回路を飛び越えて

jump over the damaged

その先の出力細胞に

circuitry in the retina to get to the retina's

たどり着いたのと同じ方法で

output cells, we can jump over the

傷害された蝸牛を飛び越えて

damaged circuitry in the cochlea

to get the auditory nerve,

聴神経にたどり着いたり

or jump over damaged areas in the cortex,

大脳皮質運動野で

in the motor cortex, to bridge the gap

脳卒中により障害された領域を

produced by a stroke.

橋渡しすることもできます

I just want to end with a simple

最後にコードの理解こそが

message that understanding the code

大きな意味を持つということを

is really, really important, and if we

覚えておいて下さい

can understand the code,

この 脳の言語であるコードを解明できれば

the language of the brain, things become

以前は 一見不可能と思えたことが 可能となるのです

possible that didn't seem obviously

possible before. Thank you.

ご静聴ありがとうございました

(Applause)

(拍手)