Sheila Nirenberg: A prosthetic eye to treat blindness

Tłumaczenie: Bartłomiej Szóstak Korekta: Rysia Wand

I study how the brain processes

Badam przetwarzanie informacji przez mózg,

information. That is, how it takes

Badam przetwarzanie informacji przez mózg,

information in from the outside world, and

Mózg zamienia informacje z otoczenia

converts it into patterns of electrical activity,

na wzorce aktywności elektrycznej,

and then how it uses those patterns

co pozwala nam

to allow you to do things --

widzieć, słyszeć, chwytać przedmioty.

to see, hear, to reach for an object.

widzieć, słyszeć, chwytać przedmioty.

So I'm really a basic scientist, not

Jestem zwykłym naukowcem,

a clinician, but in the last year and a half

ale przez ostatnie półtora roku,

I've started to switch over, to use what

zaczęłam robić użytek z tego,

we've been learning about these patterns

czego nauczyliśmy się o tych wzorcach,

of activity to develop prosthetic devices,

by rozwinąć przyrządy protetyczne,

and what I wanted to do today is show you

a dziś chciałam wam pokazać przykład.

an example of this.

a dziś chciałam wam pokazać przykład.

It's really our first foray into this.

To naprawdę nasza pierwsza próba.

It's the development of a prosthetic device

To udoskonalenie urządzenia protetycznego,

for treating blindness.

używanego w leczeniu ślepoty.

So let me start in on that problem.

Pozwólcie, że od niego rozpocznę.

There are 10 million people in the U.S.

10 mln ludzi w samym USA

and many more worldwide who are blind

cierpi na ślepotę

or are facing blindness due to diseases

lub ślepnie w wyniku chorób siatkówki,

of the retina, diseases like

takich jak zwyrodnienie plamki żółtej,

macular degeneration, and there's little

takich jak zwyrodnienie plamki żółtej,

that can be done for them.

i nie bardzo można im pomóc.

There are some drug treatments, but

Są pewne terapie farmakologiczne,

they're only effective on a small fraction

ale działają w niewielu przypadkach,

of the population. And so, for the vast

Jak dotąd, dla większości pacjentów

majority of patients, their best hope for

największą nadzieją na odzyskanie wzroku

regaining sight is through prosthetic devices.

są protezy.

The problem is that current prosthetics

Niestety dzisiejsze protezy

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

nie działają zbyt dobrze.

limited in the vision that they can provide.

Dają mocno ograniczoną wizję.

And so, you know, for example, with these

Przy pomocy tych protez,

devices, patients can see simple things

pacjenci mogą zobaczyć podstawowe rzeczy,

like bright lights and high contrast edges,

jak jasne światła, brzegi o dużym kontraście,

not very much more, so nothing close

i niewiele więcej, czyli daleko im

to normal vision has been possible.

do normalnego widzenia.

So what I'm going to tell you about today

Dziś omówię urządzenie,

is a device that we've been working on

nad którym pracujemy,

that I think has the potential to make

które, według mnie, ma potencjał,

a difference, to be much more effective,

i może okazać się skuteczniejsze.

and what I wanted to do is show you

Chcę wam pokazać, jak działa.

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

Pozwólcie, że najpierw pokażę wam,

little bit and show you how a normal retina

jak działa normalna siatkówka,

works first so you can see the problem

by ukazać problem,

that we were trying to solve.

który próbujemy rozwiązać.

Here you have a retina.

Tu mamy siatkówkę.

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

Macie więc obraz siatkówki i mózgu.

So when you look at something, like this image

Kiedy np. patrzycie na zdjęcie dziecka,

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

obraz trafia do oka

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

i ląduje na siatkówce,

cells here, the photoreceptors.

na przednich komórkach, fotoreceptorach.

Then what happens is the retinal circuitry,

Następnie, obwód siatkówkowy,

the middle part, goes to work on it,

jego środkowa część,

and what it does is it performs operations

dokonuje na nim operacji,

on it, it extracts information from it, and it

pobiera informacje

converts that information into a code.

i zamienia je w kod.

And the code is in the form of these patterns

Kod to wzorce impulsów elektrycznych

of electrical pulses that get sent

wysyłane do mózgu.

up to the brain, and so the key thing is

Zmiana obrazu w kod ma kluczowe znaczenie.

that the image ultimately gets converted

Zmiana obrazu w kod ma kluczowe znaczenie.

into a code. And when I say code,

Mówiąc "kod",

I do literally mean code.

mam na myśli dosłowny kod.

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

Ta grupa impulsów to dosłownie "twarz dziecka",

and so when the brain gets this pattern

więc otrzymując taki wzór impulsów,

of pulses, it knows that what was out there

mózg wie, że była to twarz dziecka.

was a baby's face, and if it

Gdyby otrzymał inny wzór,

got a different pattern it would know

wiedziałby, że to pies,

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

wiedziałby, że to pies,

or another pattern would be a house.

a jeszcze inny - dom.

Anyway, you get the idea.

Na tym to polega.

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

W życiu, to wszystko jest dynamiczne,

meaning that it's changing all the time,

czyli ulega ciągłym zmianom,

so the patterns of pulses are changing

wzorce impulsów zmieniają się bez przerwy.

all the time because the world you're

bo świat, na który patrzymy,

looking at is changing all the time too.

również ulega ciągłym zmianom.

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

To wszystko jest trochę skomplikowane.

thing. You have these patterns of pulses

Wzorce impulsów wysyłane przez oko

coming out of your eye every millisecond

co milisekundę

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

mówią mózgowi, co widać.

So what happens when a person

Co się dzieje w przypadku

gets a retinal degenerative disease like

choroby zwyrodnieniowej,

macular degeneration? What happens is

np. zwyrodnienie plamki żółtej?

is that, the front-end cells die,

Obumierają fotoreceptory,

the photoreceptors die, and over time,

a z czasem umierają też

all the cells and the circuits that are

wszystkie komórki i obwody

connected to them, they die too.

połączone z fotoreceptorami.

Until the only things that you have left

Na koniec zostają tylko

are these cells here, the output cells,

te oto komórki, komórki wyjściowe,

the ones that send the signals to the brain,

wysyłające sygnały do mózgu,

but because of all that degeneration

ale z powodu zwyrodnienia,

they aren't sending any signals anymore.

nie przesyłają żadnych sygnałów.

They aren't getting any input, so

Nie dostają żadnych informacji,

the person's brain no longer gets

więc mózg nie otrzymuje

any visual information --

żadnej informacji wzrokowej,

that is, he or she is blind.

czyli następuje utrata wzroku.

So, a solution to the problem, then,

Rozwiązaniem problemu

would be to build a device that could mimic

byłoby urządzenie,

the actions of that front-end circuitry

które imituje działanie tego obwodu

and send signals to the retina's output cells,

i śle sygnały do komórek wyjściowych siatkówki,

and they can go back to doing their

które mogą znów normalnie pracować

normal job of sending signals to the brain.

i wysyłać sygnały do mózgu.

So this is what we've been working on,

Nad tym pracujemy

and this is what our prosthetic does.

i tak działa nasza proteza.

So it consists of two parts, what we call

Składa się z dwóch części:

an encoder and a transducer.

tzw. kodera i transformatora.

And so the encoder does just

Koder, jak mówiłam,

what I was saying: it mimics the actions

imituje działanie obwodu siatkówki:

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

otrzymuje obraz, który następnie

in and converts them into the retina's code.

przetwarza na kod siatkówkowy.

And then the transducer then makes the

Transformator sprawia,

output cells send the code on up

że komórki wyjściowe

to the brain, and the result is

przesyłają kod do mózgu

a retinal prosthetic that can produce

i proteza siatkówkowa

normal retinal output.

może wytworzyć normalny obraz.

So a completely blind retina,

Całkowicie ślepa siatkówka,

even one with no front-end circuitry at all,

nawet bez obwodu wzrokowego,

no photoreceptors,

bez fotoreceptorów,

can now send out normal signals,

może normalnie przesyłać sygnały,

signals that the brain can understand.

sygnały zrozumiałe dla mózgu.

So no other device has been able

Żadne inne urządzenie

to do this.

tego nie potrafi.

Okay, so I just want to take

Chcę powiedzieć kilka słów

a sentence or two to say something about

o koderze i jego funkcji,

the encoder and what it's doing, because

o koderze i jego funkcji,

it's really the key part and it's

bo ma kluczowe znaczenie,

sort of interesting and kind of cool.

a do tego jest interesujący i nawet fajny.

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

"Fajny" to może nieodpowiednie słowo,

you know what I mean.

ale wiecie, co mam na myśli.

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

Koder zastępuje obwód siatkówkowy

the retinal circuitry, really the guts of

i jego podstawowe elementy

the retinal circuitry, with a set of equations,

zbiorem równań,

a set of equations that we can implement

który możemy umieścić na chipie.

on a chip. So it's just math.

To czysta matematyka.

In other words, we're not literally replacing

Nie zastępujemy dosłownie

the components of the retina.

elementów siatkówki.

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

Nie robimy mini-urządzeń

for each of the different cell types.

dla danych rodzajów komórek.

We've just abstracted what the

Wyodrębniliśmy tylko to,

retina's doing with a set of equations.

co siatkówka robi z zestawem równań.

And so, in a way, the equations are serving

W pewnym sensie,

as sort of a codebook. An image comes in,

równania służą jako księga szyfrów.

goes through the set of equations,

Obraz przechodzi przez zestaw równań,

and out comes streams of electrical pulses,

i zmienia się w wiązki impulsów elektrycznych,

just like a normal retina would produce.

takich, jakie wytwarza normalna siatkówka.

Now let me put my money

Pozwólcie, że poprę słowa czynem

where my mouth is and show you that

i pokażę, że można

we can actually produce normal output,

wygenerować normalny obraz

and what the implications of this are.

i jakie są tego skutki.

Here are three sets of

Mamy tu 3 zestawy wzorców wyładowań.

firing patterns. The top one is from

Ten na samej górze,

a normal animal, the middle one is from

należy do zdrowego zwierzęcia,

a blind animal that's been treated with

środkowy do ślepego,

this encoder-transducer device, and the

z urządzeniem kodująco-przetwarzającym,

bottom one is from a blind animal treated

a na dole do ślepego zwierzęcia

with a standard prosthetic.

ze standardową protezą.

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

To najnowsza proteza

device that's out there right now, which is

jaką można dziś dostać,

basically made up of light detectors,

zbudowana z czujników światła,

but no encoder. So what we did was we

ale bez kodera.

presented movies of everyday things --

Pokazaliśmy im filmy

people, babies, park benches,

z ludźmi, dziećmi, parkowymi ławkami,

you know, regular things happening -- and

zwykłymi, codziennymi rzeczami,

we recorded the responses from the retinas

i nagraliśmy reakcję z siatkówek

of these three groups of animals.

tych trzech grup zwierząt.

Now just to orient you, each box is showing

Każda ramka pokazuje

the firing patterns of several cells,

wzorce wyładowań niektórych komórek,

and just as in the previous slides,

i jak na poprzednich slajdach,

each row is a different cell,

każdy rząd odpowiada innej komórce.

and I just made the pulses a little bit smaller

Zmniejszyłam i zwęziłam impulsy

and thinner so I could show you

by pokazać duży fragment danych.

a long stretch of data.

by pokazać duży fragment danych.

So as you can see, the firing patterns

Wzorce wyładowań

from the blind animal treated with

u ślepego zwierzęcia

the encoder-transducer really do very

z koderem-transformatorem

closely match the normal firing patterns --

są bliskie normalnym wzorcom wyładowań.

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

Nie doskonałe, ale całkiem niezłe,

and the blind animal treated with

w przeciwieństwie

the standard prosthetic,

do efektu u ślepego zwierzęcia

the responses really don't.

ze standardową protezą.

And so with the standard method,

W standardowej metodzie

the cells do fire, they just don't fire

komórki wyładowują się,

in the normal firing patterns because

ale nie wg normalnych wzorców,

they don't have the right code.

bo nie mają odpowiedniego kodu.

How important is this?

Jakie to ma znaczenie?

What's the potential impact

Jak potencjalnie wpływa

on a patient's ability to see?

na zdolność widzenia pacjenta?

So I'm just going to show you one

Pokażę eksperyment końcowy,

bottom-line experiment that answers this,

który da nam odpowiedź

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

i mam oczywiście wiele innych danych,

so if you're interested I'm happy

które chętnie pokażę zainteresowanym.

to show more. So the experiment

Ten eksperyment

is called a reconstruction experiment.

to tzw. eksperyment rekonstrukcyjny.

So what we did is we took a moment

Wybraliśmy fragment nagrań

in time from these recordings and asked,

i zadaliśmy pytanie,

what was the retina seeing at that moment?

co w danym momencie widziała siatkówka?

Can we reconstruct what the retina

Czy możemy odtworzyć to,

was seeing from the responses

co widziała siatkówka

from the firing patterns?

wg reakcji wzorców wyładowań?

So, when we did this for responses

Badaliśmy reakcje

from the standard method and from

na metodę standardową

our encoder and transducer.

i na nasz koder z transformatorem.

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

Zobaczmy najpierw

start with the standard method first.

metodę standardową

So you can see that it's pretty limited,

Jak widać, jest mocno ograniczona,

and because the firing patterns aren't

ponieważ wzorce wyładowań

in the right code, they're very limited in

nie są odpowiednio zakodowane,

what they can tell you about

niewiele mogą powiedzieć.

what's out there. So you can see that

o świecie zewnętrznym.

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

Coś tam widać,

what that something is, and this just sort of

ale nie bardzo wiadomo co,

circles back to what I was saying in the

czyli jak mówiłam na początku,

beginning, that with the standard method,

w standardowej metodzie,

patients can see high-contrast edges, they

pacjenci widzą zarysy o dużym kontraście,

can see light, but it doesn't easily go

światło, ale niewiele więcej.

further than that. So what was

Co było na zdjęciu?

the image? It was a baby's face.

Twarz dziecka.

So what about with our approach,

A jeśli zastosujemy naszą metodę,

adding the code? And you can see

dodając kod?

that it's much better. Not only can you

Jest o wiele lepiej.

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

Nie tylko widać, że to dziecko,

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

ale da się tę twarz rozpoznać,

really challenging task.

co jest ambitnym zadaniem.

So on the left is the encoder

Po lewej jest sam koder,

alone, and on the right is from an actual

a po prawej obraz ze ślepej siatkówki,

blind retina, so the encoder and the transducer.

czyli koder i transformator.

But the key one really is the encoder alone,

Ale kluczową rolę odgrywa sam koder,

because we can team up the encoder with

bo można go połączyć

the different transducer.

z innym transformatorem.

This is just actually the first one that we tried.

Spróbowaliśmy tego po raz pierwszy.

I just wanted to say something about the standard method.

Wróćmy jeszcze do metody standardowej.

When this first came out, it was just a really

Kiedy na to wpadliśmy,

exciting thing, the idea that you

podekscytowało nas, że ślepą siatkówkę

even make a blind retina respond at all.

można w ogóle zmusić do reakcji.

But there was this limiting factor,

Ale był również czynnik ograniczający:

the issue of the code, and how to make

sprawa kodu oraz jak zmusić komórki

the cells respond better,

do lepszego reagowania,

produce normal responses,

do normalnej reakcji,

and so this was our contribution.

i to był nasz wkład.

Now I just want to wrap up,

Na zakończenie chcę dodać,

and as I was mentioning earlier

że jak wspominałam wcześniej,

of course I have a lot of other data

mam masę innych danych,

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

jeśli jesteście zainteresowani.

this sort of basic idea

Przedstawiłam tylko ogólny zarys

of being able to communicate

umiejętności porozumienia z mózgiem

with the brain in its language, and

w jego języku

the potential power of being able to do that.

i siłę, jaką ta zdolność oferuje.

So it's different from the motor prosthetics

W protetyce ruchowej

where you're communicating from the brain

mózg pacjenta zawiaduje urządzeniem.

to a device. Here we have to communicate

Tutaj ślemy do mózgu

from the outside world

komunikaty z zewnątrz tak,

into the brain and be understood,

by mózg nas zrozumiał.

and be understood by the brain.

by mózg nas zrozumiał.

And then the last thing I wanted

Na zakończenie chcę podkreślić,

to say, really, is to emphasize

Na zakończenie chcę podkreślić,

that the idea generalizes.

że ta idea jest uniwersalna.

So the same strategy that we used

Strategię odnalezienia kodu siatkówki

to find the code for the retina we can also

można również zastosować

use to find the code for other areas,

do znalezienia kodu innych obszarów,

for example, the auditory system and

np. układu słuchowego

the motor system, so for treating deafness

i układu ruchu, czyli w leczeniu głuchoty

and for motor disorders.

i zaburzeń ruchowych.

So just the same way that we were able to

Tak jak można przeskoczyć

jump over the damaged

uszkodzony obwód w siatkówce,

circuitry in the retina to get to the retina's

by dostać się do komórek wyjściowych,

output cells, we can jump over the

można również przeskoczyć

damaged circuitry in the cochlea

uszkodzony obwód ślimakowy,

to get the auditory nerve,

by dostać się do nerwu słuchowego

or jump over damaged areas in the cortex,

lub ominąć uszkodzone obszary

in the motor cortex, to bridge the gap

w korze motorycznej, by wypełnić lukę

produced by a stroke.

spowodowaną udarem.

I just want to end with a simple

Zakończę prostą informacją,

message that understanding the code

że zrozumienie kodu

is really, really important, and if we

jest naprawdę bardzo ważne,

can understand the code,

a jeśli zrozumiemy język mózgu,

the language of the brain, things become

możliwe staną się rzeczy,

possible that didn't seem obviously

które wydawały się niemożliwe.

possible before. Thank you.

Dziękuję.

(Applause)

(Oklaski)