Sheila Nirenberg: A prosthetic eye to treat blindness

Vertaald door: Rik Delaet Nagekeken door: Christel Foncke

I study how the brain processes

Ik bestudeer hoe het brein

information. That is, how it takes

informatie verwerkt. Hoe het

information in from the outside world, and

informatie vanuit de buitenwereld opneemt en

converts it into patterns of electrical activity,

dit omzet in patronen van elektrische activiteit

and then how it uses those patterns

en vervolgens hoe het die patronen gebruikt

to allow you to do things --

om je dingen te laten doen zoals

to see, hear, to reach for an object.

zien, horen of naar een voorwerp reiken.

So I'm really a basic scientist, not

Ik ben basiswetenschapper, geen

a clinician, but in the last year and a half

clinicus, maar in het afgelopen anderhalf jaar

I've started to switch over, to use what

ben ik overgeschakeld om wat

we've been learning about these patterns

we geleerd hebben over deze activiteitspatronen

of activity to develop prosthetic devices,

toe te passen om prothesen te ontwikkelen.

and what I wanted to do today is show you

Vandaag wil ik jullie daar

an example of this.

een voorbeeld van laten zien.

It's really our first foray into this.

Het zijn echt onze eerste pogingen in deze richting.

It's the development of a prosthetic device

Het is de ontwikkeling van een prothese

for treating blindness.

voor het behandelen van blindheid.

So let me start in on that problem.

Laat me beginnen over dat probleem.

There are 10 million people in the U.S.

Er zijn 10 miljoen mensen in de VS,

and many more worldwide who are blind

en nog veel meer over de hele wereld, die blind zijn

or are facing blindness due to diseases

of worden geconfronteerd met blindheid als gevolg van ziekten

of the retina, diseases like

van het netvlies, ziekten als

macular degeneration, and there's little

macula-degeneratie en er is weinig

that can be done for them.

dat voor hen kan worden gedaan.

There are some drug treatments, but

Er zijn een aantal behandelingen met medicijnen, maar

they're only effective on a small fraction

ze zijn alleen effectief voor een klein deel

of the population. And so, for the vast

van de bevolking. Voor het overgrote

majority of patients, their best hope for

deel van de patiënten zijn prothesen

regaining sight is through prosthetic devices.

de beste hoop voor het herwinnen van hun zicht.

The problem is that current prosthetics

Het probleem is dat de huidige prothesen

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

niet erg goed werken. Ze zijn nog steeds zeer

limited in the vision that they can provide.

beperkt in het zicht dat zij kunnen bieden.

And so, you know, for example, with these

Met deze apparaten

devices, patients can see simple things

kunnen patiënten eenvoudige dingen zien

like bright lights and high contrast edges,

zoals fel licht en hoog contrasterende randen,

not very much more, so nothing close

niet erg veel meer, dus niets dat

to normal vision has been possible.

het normale zien benadert.

So what I'm going to tell you about today

Waarover ik het vandaag ga hebben,

is a device that we've been working on

is een apparaat waar we aan hebben gewerkt

that I think has the potential to make

en waarvan ik denk dat

a difference, to be much more effective,

het een verschil gaat maken, veel effectiever gaat zijn.

and what I wanted to do is show you

Ik wil jullie laten zien

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

hoe het werkt. Laat ik even teruggaan

little bit and show you how a normal retina

en jullie eerst laten zien hoe een normaal netvlies

works first so you can see the problem

werkt, zodat jullie kunnen zien welk probleem

that we were trying to solve.

we probeerden op te lossen.

Here you have a retina.

Hier heb je een netvlies.

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

Je ziet een beeld, een netvlies en een brein.

So when you look at something, like this image

Als je kijkt naar iets als dit beeld

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

van het gezicht van deze baby, gaat het je oog in

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

en komt terecht op je netvlies, op deze voorste

cells here, the photoreceptors.

cellen hier, de fotoreceptoren.

Then what happens is the retinal circuitry,

Dan gaan de netvliescircuits,

the middle part, goes to work on it,

het middelste deel, dat bewerken.

and what it does is it performs operations

Ze voeren bewerkingen uit,

on it, it extracts information from it, and it

halen er informatie uit en

converts that information into a code.

zetten deze informatie om in een code.

And the code is in the form of these patterns

De code is in de vorm van deze patronen

of electrical pulses that get sent

van elektrische pulsen die naar

up to the brain, and so the key thing is

het brein worden gestuurd. Het belangrijkste is

that the image ultimately gets converted

dat het beeld uiteindelijk wordt omgezet

into a code. And when I say code,

in een code. Als ik zeg code,

I do literally mean code.

bedoel ik letterlijk code.

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

Net als dit patroon van pulsen hier eigenlijk 'baby's gezicht' betekent.

and so when the brain gets this pattern

Als het brein dit patroon

of pulses, it knows that what was out there

van pulsen ontvangt, weet het dat er daar

was a baby's face, and if it

een babygezicht is. Als het

got a different pattern it would know

een ander patroon kreeg zou het dat

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

ook herkennen, bijvoorbeeld een hond

or another pattern would be a house.

of een huis.

Anyway, you get the idea.

Dat is het idee.

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

In het echte leven verloopt het natuurlijk allemaal dynamisch,

meaning that it's changing all the time,

het is de hele tijd aan het veranderen,

so the patterns of pulses are changing

zodat de patronen van de pulsen

all the time because the world you're

de hele tijd veranderen, omdat de wereld waar je naar

looking at is changing all the time too.

kijkt ook de hele tijd verandert.

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

Het is ingewikkeld.

thing. You have these patterns of pulses

Elke milliseconde komen deze patronen van pulsen

coming out of your eye every millisecond

van je ogen en

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

vertellen je hersenen wat je ziet.

So what happens when a person

Wat gebeurt er nu wanneer iemand

gets a retinal degenerative disease like

een retinale degeneratieve ziekte als

macular degeneration? What happens is

maculadegeneratie krijgt? Dan gaan

is that, the front-end cells die,

deze voorste cellen, de fotoreceptoren, afsterven

the photoreceptors die, and over time,

en na verloop van tijd sterven

all the cells and the circuits that are

alle cellen en de circuits die

connected to them, they die too.

ermee verbonden zijn ook af.

Until the only things that you have left

Totdat de enige dingen die nog overblijven

are these cells here, the output cells,

deze cellen zijn, de outputcellen,

the ones that send the signals to the brain,

die de signalen doorsturen naar het brein.

but because of all that degeneration

Maar door al die degeneratie

they aren't sending any signals anymore.

zenden ze geen signalen meer door.

They aren't getting any input, so

Ze krijgen geen input meer, zodat

the person's brain no longer gets

het brein niet langer

any visual information --

visuele informatie ontvangt -

that is, he or she is blind.

dat wil zeggen, hij of zij is blind geworden.

So, a solution to the problem, then,

Een oplossing voor dat probleem

would be to build a device that could mimic

zou een apparaat zijn dat

the actions of that front-end circuitry

de acties van dat voorste circuit kan nabootsen

and send signals to the retina's output cells,

en signalen sturen naar de outputcellen van het netvlies

and they can go back to doing their

zodat ze hun normale werk van het verzenden

normal job of sending signals to the brain.

van signalen naar het brein terug kunnen doen.

So this is what we've been working on,

Daar hebben we aan gewerkt

and this is what our prosthetic does.

en dit is wat onze prothese doet.

So it consists of two parts, what we call

Ze bestaat uit twee delen die wij

an encoder and a transducer.

encoder en transducer noemen.

And so the encoder does just

De encoder doet precies

what I was saying: it mimics the actions

wat ik zeg: het bootst de acties

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

van het voorste circuit na - het neemt beelden op

in and converts them into the retina's code.

en zet ze om in de code van het netvlies.

And then the transducer then makes the

Dan laat de transducer vervolgens de

output cells send the code on up

outputcellen de code

to the brain, and the result is

naar het brein sturen. Het resultaat is

a retinal prosthetic that can produce

een netvliesprothese die

normal retinal output.

normale retinale output kan produceren.

So a completely blind retina,

Een volledig blind netvlies,

even one with no front-end circuitry at all,

zelfs een zonder voorste circuit,

no photoreceptors,

zonder fotoreceptoren,

can now send out normal signals,

kan nu normale signalen uitsturen,

signals that the brain can understand.

signalen die het brein kan begrijpen.

So no other device has been able

Geen ander apparaat

to do this.

kon dat.

Okay, so I just want to take

Ik wil iets

a sentence or two to say something about

meer vertellen over

the encoder and what it's doing, because

de encoder en wat hij doet, want

it's really the key part and it's

dat is echt het sleutelgedeelte:

sort of interesting and kind of cool.

interessant en een beetje cool.

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

Ik weet niet of 'cool' wel het juiste woord is, maar

you know what I mean.

je weet wat ik bedoel.

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

Hij vervangt

the retinal circuitry, really the guts of

het netvliescircuit, de cellen van

the retinal circuitry, with a set of equations,

het netvliescircuit, door een set vergelijkingen,

a set of equations that we can implement

een set vergelijkingen die we kunnen implementeren

on a chip. So it's just math.

op een chip. Het is gewoon wiskunde.

In other words, we're not literally replacing

We vervangen dus niet letterlijk

the components of the retina.

de onderdelen van het netvlies.

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

Het is niet alsof we een klein mini-apparaat maken

for each of the different cell types.

voor elk van de verschillende celtypen.

We've just abstracted what the

We hebben alleen maar met een set vergelijkingen

retina's doing with a set of equations.

geabstraheerd wat het netvlies doet.

And so, in a way, the equations are serving

De vergelijkingen dienen

as sort of a codebook. An image comes in,

als een soort van codeboek. Een beeld komt binnen,

goes through the set of equations,

gaat door de set vergelijkingen,

and out comes streams of electrical pulses,

en dan komen stromen van elektrische pulsen eruit

just like a normal retina would produce.

net zoals een normaal netvlies die zou leveren.

Now let me put my money

Om dit hard te maken

where my mouth is and show you that

wil ik jullie laten zien dat

we can actually produce normal output,

we normale output kunnen produceren

and what the implications of this are.

en wat de implicaties ervan zijn.

Here are three sets of

Hier zijn drie sets van

firing patterns. The top one is from

signaalpatronen. De bovenste is van

a normal animal, the middle one is from

een normaal dier, de middelste van

a blind animal that's been treated with

een blind dier dat behandeld is met

this encoder-transducer device, and the

dit encoder-transducerapparaat en de

bottom one is from a blind animal treated

onderste van een blind dier

with a standard prosthetic.

met een standaardprothese.

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

De onderste is het state-of-the-art

device that's out there right now, which is

apparaat van dit moment. Het is

basically made up of light detectors,

in principe opgebouwd uit lichtdetectoren,

but no encoder. So what we did was we

maar heeft geen encoder. We toonden

presented movies of everyday things --

films van alledaagse dingen -

people, babies, park benches,

mensen, baby's, bankjes in het park,

you know, regular things happening -- and

kortom gewone dingen - en

we recorded the responses from the retinas

we hebben de reacties van het netvlies

of these three groups of animals.

van deze drie groepen van dieren opgenomen.

Now just to orient you, each box is showing

Om je even wegwijs te maken: elk vak toont

the firing patterns of several cells,

de signaalpatronen van meerdere cellen.

and just as in the previous slides,

Net als in de vorige dia's

each row is a different cell,

staat elke rij voor een andere cel.

and I just made the pulses a little bit smaller

Ik maakte de pulsen een beetje kleiner

and thinner so I could show you

en dunner, zodat ik jullie

a long stretch of data.

een lange strook van gegevens kon laten zien.

So as you can see, the firing patterns

Zoals je kunt zien sluiten de signaalpatronen

from the blind animal treated with

van het blinde dier, behandeld met

the encoder-transducer really do very

de encoder-transducer, echt heel

closely match the normal firing patterns --

nauw aan bij de normale signaalpatronen.

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

Niet perfect, maar toch vrij goed.

and the blind animal treated with

Van het blinde dier behandeld met

the standard prosthetic,

de standaardprothese

the responses really don't.

is de respons niet echt goed.

And so with the standard method,

Met de standaardmethode

the cells do fire, they just don't fire

geven de cellen wel een signaal, maar ze geven

in the normal firing patterns because

geen normale signaalpatronen omdat

they don't have the right code.

ze de juiste code niet hebben.

How important is this?

Hoe belangrijk is dit?

What's the potential impact

Wat is de mogelijke impact

on a patient's ability to see?

op het gezichtsvermogen van een patiënt?

So I'm just going to show you one

Ik ga jullie nog

bottom-line experiment that answers this,

een cruciaal experiment tonen dat hierop een antwoord geeft.

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

Natuurlijk heb ik nog een heleboel andere gegevens.

so if you're interested I'm happy

Als je geïnteresseerd bent, kan ik

to show more. So the experiment

nog veel meer laten zien. Het experiment

is called a reconstruction experiment.

heet een reconstructie-experiment.

So what we did is we took a moment

We namen een tijdsmoment

in time from these recordings and asked,

van deze opnamen en vroegen ons af

what was the retina seeing at that moment?

wat het netvlies toen zag.

Can we reconstruct what the retina

Kunnen we reconstrueren wat het netvlies

was seeing from the responses

kon opmaken uit de reacties

from the firing patterns?

van de signaalpatronen?

So, when we did this for responses

We deden dit voor de reacties

from the standard method and from

van de standaardmethode en van

our encoder and transducer.

onze encoder en transducer.

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

Ik begin

start with the standard method first.

met de standaardmethode.

So you can see that it's pretty limited,

Je kunt zien dat ze erg beperkt is.

and because the firing patterns aren't

Omdat de signaalpatronen niet

in the right code, they're very limited in

in de juiste code zijn, zijn ze zeer beperkt in

what they can tell you about

wat ze kunnen vertellen over

what's out there. So you can see that

de omgeving. Je kunt zien dat

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

er daar iets is, maar het is niet zo duidelijk

what that something is, and this just sort of

wat dat iets is. Dit demonstreert nog maar eens

circles back to what I was saying in the

wat ik in het

beginning, that with the standard method,

begin zei, dat patiënten met de standaardmethode

patients can see high-contrast edges, they

hoog contrasterende randen kunnen zien, ze

can see light, but it doesn't easily go

kunnen licht zien, maar dat is het dan ook.

further than that. So what was

Wat stelt het beeld voor?

the image? It was a baby's face.

Een babygezicht.

So what about with our approach,

Hoe zit het nu met onze aanpak,

adding the code? And you can see

het toevoegen van de code? Je kunt zien

that it's much better. Not only can you

dat het veel beter is. Niet alleen kan je

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

zien dat het een babygezicht is, maar je kunt

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

zien dat het het gezicht van deze baby is, wat een

really challenging task.

echt uitdagende taak is.

So on the left is the encoder

Aan de linkerkant is het van de encoder alleen

alone, and on the right is from an actual

en aan de rechterkant is het van een werkelijk

blind retina, so the encoder and the transducer.

blind netvlies, dus met de encoder en de transducer.

But the key one really is the encoder alone,

Maar het belangrijkste is de encoder alleen,

because we can team up the encoder with

want we kunnen de encoder laten werken met

the different transducer.

een verschillende transducer.

This is just actually the first one that we tried.

Dit is gewoon de eerste die we hebben uitgeprobeerd.

I just wanted to say something about the standard method.

Ik wilde alleen maar iets over de standaardmethode zeggen.

When this first came out, it was just a really

Toen deze voor het eerst uitkwam, was het gewoon een heel

exciting thing, the idea that you

spannend iets, alleen het idee al dat je

even make a blind retina respond at all.

zelfs een blind netvlies kon laten reageren.

But there was this limiting factor,

Maar er was een beperkende factor,

the issue of the code, and how to make

de kwestie van de code en hoe

the cells respond better,

de respons van de cellen te verbeteren,

produce normal responses,

ze normale reacties te laten produceren.

and so this was our contribution.

Dat was onze bijdrage.

Now I just want to wrap up,

Samengevat

and as I was mentioning earlier

zoals ik eerder al zei,

of course I have a lot of other data

heb ik natuurlijk nog een hoop andere gegevens,

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

mocht je geïnteresseerd zijn. Ik wilde

this sort of basic idea

dit basisidee meegeven

of being able to communicate

dat de mogelijkheid er is om te communiceren

with the brain in its language, and

met het brein in zijn eigen taal en

the potential power of being able to do that.

wat de mogelijkheid om dat te doen, betekent.

So it's different from the motor prosthetics

Het is dus anders dan bij bewegingsprothesen

where you're communicating from the brain

waar je communiceert vanuit het brein

to a device. Here we have to communicate

naar een apparaat. Hier communiceren we

from the outside world

van de buitenwereld

into the brain and be understood,

naar het brein en worden begrepen,

and be understood by the brain.

begrepen door het brein.

And then the last thing I wanted

Het laatste wat ik nog wilde

to say, really, is to emphasize

zeggen, is benadrukken dat het idee

that the idea generalizes.

voor andere toepassingen kan worden gebruikt.

So the same strategy that we used

Dezelfde strategie die we hebben gebruikt

to find the code for the retina we can also

om de code te vinden voor het netvlies kunnen we ook

use to find the code for other areas,

gebruiken om de code voor andere gebieden te vinden,

for example, the auditory system and

bijvoorbeeld, het auditieve systeem en

the motor system, so for treating deafness

het bewegingssysteem, dus voor de behandeling van doofheid

and for motor disorders.

en voor motorische stoornissen.

So just the same way that we were able to

Op dezelfde manier dat we in staat waren om

jump over the damaged

over de beschadigde

circuitry in the retina to get to the retina's

circuits in het netvlies te springen naar de outputcellen

output cells, we can jump over the

van het netvlies kunnen we over de

damaged circuitry in the cochlea

beschadigde circuits in het slakkenhuis springen

to get the auditory nerve,

om de gehoorzenuw vast te krijgen

or jump over damaged areas in the cortex,

of springen over beschadigde gebieden in de cortex,

in the motor cortex, to bridge the gap

in de motorische cortex om de kloof te overbruggen

produced by a stroke.

die het resultaat was van een beroerte.

I just want to end with a simple

Ik wil eindigen met de simpele

message that understanding the code

mededeling dat het begrijpen van de code

is really, really important, and if we

echt, echt belangrijk is en als we de code

can understand the code,

kunnen begrijpen,

the language of the brain, things become

de taal van het brein, worden dingen

possible that didn't seem obviously

mogelijk die vroeger

possible before. Thank you.

onmogelijk leken. Dank je.

(Applause)

(Applaus)