Sheila Nirenberg: A prosthetic eye to treat blindness

Tradutor: João Pedro Cotrim Revisora: Miguel Cabral de Pinho

I study how the brain processes

Estudo a forma como o cérebro

information. That is, how it takes

processa informação. Isto é, como recebe

information in from the outside world, and

informação do exterior

converts it into patterns of electrical activity,

e a converte em padrões de actividade eléctrica,

and then how it uses those patterns

e a forma como usa esses padrões

to allow you to do things --

para que possamos fazer coisas

to see, hear, to reach for an object.

- ver, ouvir, alcançar um objecto.

So I'm really a basic scientist, not

Sou uma cientista de ciências básicas,

a clinician, but in the last year and a half

não sou médica clínica,

I've started to switch over, to use what

mas no último ano e meio tenho invertido esse papel,

we've been learning about these patterns

para usar o que aprendemos sobre estes

of activity to develop prosthetic devices,

padrões de actividade no desenvolvimento de próteses,

and what I wanted to do today is show you

e o que quero fazer hoje

an example of this.

é mostrar-vos um exemplo disto.

It's really our first foray into this.

É a nossa primeira tentativa do género.

It's the development of a prosthetic device

O desenvolvimento de uma prótese

for treating blindness.

para tratar a cegueira.

So let me start in on that problem.

Permitam-me apresentar o problema.

There are 10 million people in the U.S.

Há 10 milhões de pessoas nos E.U.A.

and many more worldwide who are blind

e muitas mais no mundo

or are facing blindness due to diseases

que são cegas ou sofrem de cegueira

of the retina, diseases like

devido a doenças da retina,

macular degeneration, and there's little

doenças como a degenerescência macular,

that can be done for them.

e não se pode fazer muito por elas.

There are some drug treatments, but

Existem medicamentos, mas só são eficazes

they're only effective on a small fraction

numa fracção reduzida da população.

of the population. And so, for the vast

Por isso, para a maioria dos doentes,

majority of patients, their best hope for

a melhor hipótese de recuperar a visão

regaining sight is through prosthetic devices.

é através de próteses.

The problem is that current prosthetics

O problema é que as próteses actuais

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

não funcionam muito bem. São ainda muito

limited in the vision that they can provide.

limitadas quanto à visão que fornecem.

And so, you know, for example, with these

Por exemplo, com estes aparelhos,

devices, patients can see simple things

os doentes podem ver coisas simples

like bright lights and high contrast edges,

como luzes brilhantes e formas

not very much more, so nothing close

com elevado contraste, mas não muito mais,

to normal vision has been possible.

não tem sido possível reproduzir nada parecido com a visão normal.

So what I'm going to tell you about today

Por isso hoje vou falar-vos

is a device that we've been working on

de um aparelho no qual temos trabalhado

that I think has the potential to make

que penso ter o potencial para

a difference, to be much more effective,

marcar a diferença, ser muito mais eficaz,

and what I wanted to do is show you

e queria então mostrar-vos

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

como funciona. Ok, deixem-me voltar

little bit and show you how a normal retina

um pouco atrás e mostrar-vos como funciona

works first so you can see the problem

uma retina normal, para que entendam o problema

that we were trying to solve.

que estamos a tentar resolver. Temos aqui uma retina.

Here you have a retina.

Temos uma imagem, uma retina e um cérebro.

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

Quando olhamos para algo,

So when you look at something, like this image

como esta imagem da face de um bebé,

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

ela vai para o olho

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

e pára na retina, nestas células frontais,

cells here, the photoreceptors.

chamadas fotorreceptores.

Then what happens is the retinal circuitry,

De seguida, a parte do meio, as ligações retinais,

the middle part, goes to work on it,

trabalham a imagem,

and what it does is it performs operations

operam sobre ela

on it, it extracts information from it, and it

e extraem informação

converts that information into a code.

que convertem num código.

And the code is in the form of these patterns

O código tem a forma destes padrões de

of electrical pulses that get sent

impulsos eléctricos que são enviados

up to the brain, and so the key thing is

para o cérebro, portanto o essencial é que

that the image ultimately gets converted

a imagem acaba convertida

into a code. And when I say code,

num código. E quando digo "código",

I do literally mean code.

quero mesmo dizer "código".

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

Este padrão de impulsos aqui significa mesmo

and so when the brain gets this pattern

"face de bebé", por isso

of pulses, it knows that what was out there

quando o cérebro recebe este padrão, sabe que

was a baby's face, and if it

o que está à sua frente é uma face de bebé,

got a different pattern it would know

e se recebesse um padrão diferente

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

saberia que tinha à frente, por exemplo, um cão,

or another pattern would be a house.

e outro padrão poderia ser uma casa.

Anyway, you get the idea.

Vocês percebem a ideia.

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

E, claro, na vida real, tudo é dinâmico,

meaning that it's changing all the time,

ou seja, muda a todo o momento,

so the patterns of pulses are changing

logo os padrões de impulsos

all the time because the world you're

mudam a toda a hora porque o

looking at is changing all the time too.

mundo que observamos também está sempre a mudar.

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

Portanto, vêem como isto é um pouco complicado.

thing. You have these patterns of pulses

Temos padrões de impulsos vindos do olho

coming out of your eye every millisecond

a cada milissegundo,

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

que dizem ao cérebro o que estamos a ver.

So what happens when a person

O que acontece quando uma pessoa tem uma doença

gets a retinal degenerative disease like

degenerativa retinal tal como a degenerescência macular?

macular degeneration? What happens is

O que acontece é que

is that, the front-end cells die,

as células frontais morrem,

the photoreceptors die, and over time,

os fotorreceptores morrem,

all the cells and the circuits that are

e com o tempo todas as células e circuitos

connected to them, they die too.

ligados a eles morrem também.

Until the only things that you have left

Até que a única coisa que resta

are these cells here, the output cells,

são estas células, as células de saída de dados,

the ones that send the signals to the brain,

as que enviam sinais ao cérebro,

but because of all that degeneration

mas com a degenerescência

they aren't sending any signals anymore.

deixam de enviar esses sinais.

They aren't getting any input, so

Não estão a receber dados, por isso

the person's brain no longer gets

o cérebro da pessoa deixa de

any visual information --

receber informação visual, ou seja

that is, he or she is blind.

a pessoa está cega.

So, a solution to the problem, then,

Ora, uma solução para o problema seria

would be to build a device that could mimic

construir um dispositivo que imitasse

the actions of that front-end circuitry

as acções daquelas células frontais

and send signals to the retina's output cells,

e enviasse sinais às células de saída de dados,

and they can go back to doing their

para elas voltarem a executar a sua função

normal job of sending signals to the brain.

normal de enviar sinais ao cérebro.

So this is what we've been working on,

É então nisto que estamos a trabalhar,

and this is what our prosthetic does.

e isto é o que a nossa prótese faz.

So it consists of two parts, what we call

Consiste em duas partes, a que chamamos

an encoder and a transducer.

um codificador e um transdutor.

And so the encoder does just

O codificador faz aquilo

what I was saying: it mimics the actions

que referi: imita as acções

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

das células frontais - pega nas imagens

in and converts them into the retina's code.

e converte-as no código da retina.

And then the transducer then makes the

O transdutor faz com que as

output cells send the code on up

células de saída de dados enviem o código

to the brain, and the result is

para o cérebro, e o resultado

a retinal prosthetic that can produce

é uma prótese retinal que pode produzir

normal retinal output.

dados da retina normais.

So a completely blind retina,

Desta forma, uma retina completamente cega,

even one with no front-end circuitry at all,

mesmo sem células frontais,

no photoreceptors,

sem fotorreceptores,

can now send out normal signals,

pode agora enviar sinais normais,

signals that the brain can understand.

sinais que o cérebro pode entender.

So no other device has been able

Nenhum outro aparelho tem sido

to do this.

capaz de fazer isto.

Okay, so I just want to take

Ok, quero agora dizer

a sentence or two to say something about

uma ou duas coisas sobre o codificador

the encoder and what it's doing, because

e sobre o que ele faz, porque

it's really the key part and it's

trata-se da peça-chave

sort of interesting and kind of cool.

e é interessante e bastante fixe.

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

Não sei se "fixe" será a palavra adequada,

you know what I mean.

mas vocês entendem.

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

O que ele faz é substituir

the retinal circuitry, really the guts of

o conjunto das células retinais, todo ele,

the retinal circuitry, with a set of equations,

com um conjunto de equações,

a set of equations that we can implement

conjunto que podemos

on a chip. So it's just math.

inserir num chip. Portanto, é só matemática.

In other words, we're not literally replacing

Por outras palavras, não estamos literalmente a substituir

the components of the retina.

os componentes da retina.

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

Não estamos propriamente a fazer um mini-dispositivo

for each of the different cell types.

para cada tipo diferente de células.

We've just abstracted what the

Simplesmente abstraímos o que

retina's doing with a set of equations.

a retina faz num conjunto de equações.

And so, in a way, the equations are serving

De certa forma, as equações funcionam como

as sort of a codebook. An image comes in,

uma espécie de livro de código.

goes through the set of equations,

Uma imagem chega, passa pelo conjunto de equações,

and out comes streams of electrical pulses,

e saem linhas de impulsos eléctricos,

just like a normal retina would produce.

tal como uma retina normal o faria.

Now let me put my money

Deixem-me então provar

where my mouth is and show you that

aquilo que disse e mostrar-vos que

we can actually produce normal output,

conseguimos mesmo produzir dados normais

and what the implications of this are.

e as implicações que isto traz.

Here are three sets of

Temos aqui três conjuntos de

firing patterns. The top one is from

padrões de disparo. O de cima é de

a normal animal, the middle one is from

um animal normal, o do meio é de

a blind animal that's been treated with

um animal cego tratado com o nosso

this encoder-transducer device, and the

codificador-transdutor,

bottom one is from a blind animal treated

e o último é de um animal tratado com uma

with a standard prosthetic.

prótese comum.

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

O de baixo, trata-se de uma prótese nova,

device that's out there right now, which is

de última geração, que funciona

basically made up of light detectors,

à base de detectores de luz, mas sem codificador.

but no encoder. So what we did was we

O que fizemos foi passar filmes

presented movies of everyday things --

de cenas quotidianas - pessoas, bebés,

people, babies, park benches,

bancos de jardim,

you know, regular things happening -- and

acontecimentos do dia-a-dia, entendem -

we recorded the responses from the retinas

e gravámos as respostas das retinas

of these three groups of animals.

destes três grupos de animais.

Now just to orient you, each box is showing

Só para vos orientar,

the firing patterns of several cells,

cada caixa mostra os padrões de disparo

and just as in the previous slides,

de várias células, e tal como

each row is a different cell,

nos slides anteriores, cada coluna

and I just made the pulses a little bit smaller

é uma célula diferente, e eu apenas

and thinner so I could show you

reduzi o tamanho e grossura dos impulsos para vos

a long stretch of data.

poder mostrar uma fila longa de dados.

So as you can see, the firing patterns

Como podem ver,

from the blind animal treated with

os padrões de disparo do animal cego

the encoder-transducer really do very

tratado com o codificador-transdutor

closely match the normal firing patterns --

assemelham-se muito a

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

padrões de disparo normais

and the blind animal treated with

- não são perfeitos, mas são bastante bons -

the standard prosthetic,

e no animal cego com a prótese comum,

the responses really don't.

as respostas não se assemelham nada.

And so with the standard method,

Desta forma, com o método comum,

the cells do fire, they just don't fire

as células disparam, mas não

in the normal firing patterns because

segundo os padrões normais,

they don't have the right code.

porque não têm o código certo.

How important is this?

Qual a importância disto?

What's the potential impact

Qual o impacto potencial na

on a patient's ability to see?

capacidade de ver de um doente?

So I'm just going to show you one

Vou apenas mostrar-vos uma

bottom-line experiment that answers this,

experiência prática que responde à questão,

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

e é claro que tenho muito mais dados,

so if you're interested I'm happy

por isso se vos interessar, tenho todo

to show more. So the experiment

o gosto em mostrar mais. A experiência

is called a reconstruction experiment.

chama-se experiência de reconstrução.

So what we did is we took a moment

O que fizemos foi pegar num determinado

in time from these recordings and asked,

momento destas gravações e perguntar,

what was the retina seeing at that moment?

o que via a retina naquele momento?

Can we reconstruct what the retina

Poderíamos reconstruir o que a retina via

was seeing from the responses

a partir das respostas

from the firing patterns?

dos padrões de disparo?

So, when we did this for responses

Fizemo-lo para as respostas

from the standard method and from

do método comum e para

our encoder and transducer.

as do nosso codificador e transdutor.

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

Deixem-me mostrar-vos, e começo

start with the standard method first.

com as do método comum primeiro.

So you can see that it's pretty limited,

Conseguem ver que são muito limitadas,

and because the firing patterns aren't

e como os padrões de disparo não estão

in the right code, they're very limited in

no código certo, são muito limitados

what they can tell you about

naquilo que nos podem dizer sobre o que vêem.

what's out there. So you can see that

Podem ver que está algo à frente,

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

mas não é tão claro saber o que é.

what that something is, and this just sort of

E aqui estamos a voltar ao que já disse

circles back to what I was saying in the

no início, que com o método comum,

beginning, that with the standard method,

os doentes conseguem ver

patients can see high-contrast edges, they

formas com elevado contraste, ver luz

can see light, but it doesn't easily go

mas não vêem muito mais que isso.

further than that. So what was

Qual era então a imagem?

the image? It was a baby's face.

Era a face de um bebé.

So what about with our approach,

O que acontece com a nossa abordagem,

adding the code? And you can see

acrescentando o código? Podemos ver

that it's much better. Not only can you

que é muito melhor. Conseguimos não apenas

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

identificar a cara do bebé, mas saber também

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

que é a cara daquele bebé em especial,

really challenging task.

o que é algo muito difícil.

So on the left is the encoder

Temos à esquerda o codificador isolado,

alone, and on the right is from an actual

e à direita uma retina cega,

blind retina, so the encoder and the transducer.

com o codificador e o transdutor.

But the key one really is the encoder alone,

Mas o que interessa é a que tem só o codificador,

because we can team up the encoder with

porque podemos combinar o codificador

the different transducer.

com um transdutor diferente. Esta foi simplesmente

This is just actually the first one that we tried.

a nossa primeira tentativa. Queria apenas acrescentar algo

I just wanted to say something about the standard method.

sobre o método comum.

When this first came out, it was just a really

Quando saiu, era algo muito excitante,

exciting thing, the idea that you

esta ideia de que se podia fazer com que

even make a blind retina respond at all.

uma retina cega respondesse de todo.

But there was this limiting factor,

Mas havia um factor limitante,

the issue of the code, and how to make

a questão do código, e como fazer com que

the cells respond better,

as células respondessem melhor,

produce normal responses,

produzissem respostas normais,

and so this was our contribution.

e portanto esta foi a nossa contribuição.

Now I just want to wrap up,

Para terminar,

and as I was mentioning earlier

como dizia anteriormente,

of course I have a lot of other data

tenho muitos outros dados

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

se estiverem interessados, mas queria apenas

this sort of basic idea

partilhar esta ideia relativamente geral

of being able to communicate

de que somos capazes de comunicar

with the brain in its language, and

com o cérebro na sua linguagem,

the potential power of being able to do that.

e o que se poderá conseguir com isso.

So it's different from the motor prosthetics

É diferente das próteses motoras

where you're communicating from the brain

onde se comunica com um dispositivo

to a device. Here we have to communicate

a partir do cérebro. Aqui temos que comunicar

from the outside world

desde o mundo exterior

into the brain and be understood,

até ao cérebro, e sermos

and be understood by the brain.

entendidos pelo cérebro.

And then the last thing I wanted

A última coisa que queria fazer,

to say, really, is to emphasize

na verdade, é sublinhar que esta ideia

that the idea generalizes.

pode ser generalizada.

So the same strategy that we used

A mesma estratégia que usámos

to find the code for the retina we can also

para encontrar o código para a retina pode

use to find the code for other areas,

ser usada para encontrar o código para outras áreas,

for example, the auditory system and

como por exemplo o sistema auditivo,

the motor system, so for treating deafness

ou o sistema motor, para o tratamento da surdez

and for motor disorders.

e deficiências motoras.

So just the same way that we were able to

Da mesma forma que conseguimos

jump over the damaged

ultrapassar os circuitos danificados da retina

circuitry in the retina to get to the retina's

para chegar às células de saída de dados,

output cells, we can jump over the

podemos ultrapassar

damaged circuitry in the cochlea

circuitos danificados da cóclea,

to get the auditory nerve,

para chegar ao nervo auditivo,

or jump over damaged areas in the cortex,

ou ultrapassar áreas danificadas do córtex,

in the motor cortex, to bridge the gap

no córtex motor, para ultrapassar a falha

produced by a stroke.

provocada por um AVC.

I just want to end with a simple

Queria terminar com uma mensagem simples.

message that understanding the code

Que entender o código

is really, really important, and if we

é muito, muito importante,

can understand the code,

e que se entendermos o código,

the language of the brain, things become

a linguagem do cérebro, há coisas que

possible that didn't seem obviously

se tornam possíveis que anteriormente

possible before. Thank you.

nos pareciam impossíveis. Obrigada.

(Applause)

(Aplausos)