Sheila Nirenberg: A prosthetic eye to treat blindness

Шейла Ниренберг: Глазной протез для лечения слепоты

Переводчик: Olga Dmitrochenkova Редактор: Aliaksandr Autayeu

I study how the brain processes

Я изучаю, каким образом мозг перерабатывает информацию.

information. That is, how it takes

То есть, как он получает

information in from the outside world, and

информацию из внешнего мира и

converts it into patterns of electrical activity,

преобразует её в электрическую активность,

and then how it uses those patterns

и как потом использует её для того,

to allow you to do things --

чтобы позволить вам

to see, hear, to reach for an object.

видеть, слышать, брать предметы.

So I'm really a basic scientist, not

Я на самом деле обычный учёный,

a clinician, but in the last year and a half

а не практикующий врач, но в последние полгода

I've started to switch over, to use what

я начала переключаться, использовать

we've been learning about these patterns

мои знания о моделях этой активности

of activity to develop prosthetic devices,

для создания протезов,

and what I wanted to do today is show you

и сегодня я хочу показать вам

an example of this.

образец одного из них.

It's really our first foray into this.

Это наша первая попытка его создания.

It's the development of a prosthetic device

Речь идёт о создании протеза

for treating blindness.

для лечения слепоты.

So let me start in on that problem.

Давайте начнём с обзора этой проблемы.

There are 10 million people in the U.S.

Около 10 миллионов людей в США

and many more worldwide who are blind

и ещё больше по всему миру либо потеряли зрение,

or are facing blindness due to diseases

либо находятся на грани его потери

of the retina, diseases like

из-за таких болезней сетчатки, как

macular degeneration, and there's little

дегенерация желтого пятна;

that can be done for them.

немного можно сделать для их лечения.

There are some drug treatments, but

Есть медикаментозное лечение,

they're only effective on a small fraction

но оно эффективно только для малого процента населения.

of the population. And so, for the vast

Поэтому для большинства пациентов

majority of patients, their best hope for

надеждой на восстановление

regaining sight is through prosthetic devices.

зрения являются протезы.

The problem is that current prosthetics

Проблема в том, что современные протезы

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

плохо работают. Они всё ещё очень

limited in the vision that they can provide.

ограничены в способности воссоздавать зрение.

And so, you know, for example, with these

Так, мы знаем, что при их помощи

devices, patients can see simple things

пациенты могут видеть простейшие вещи,

like bright lights and high contrast edges,

такие как яркий свет или высококонтрастные края,

not very much more, so nothing close

но не более того, поэтому что-либо, хоть немного похожее

to normal vision has been possible.

на нормальное зрение было невозможным.

So what I'm going to tell you about today

Сегодня я расскажу вам об устройстве,

is a device that we've been working on

над которым мы работаем, которое,

that I think has the potential to make

на мой взгляд, способно оказать большое влияние

a difference, to be much more effective,

и быть намного более эффективным;

and what I wanted to do is show you

и я хотела бы показать вам, как оно работает.

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

Позвольте мне на слайдах

little bit and show you how a normal retina

показать работу нормальной сетчатки,

works first so you can see the problem

и вы сможете понять проблему,

that we were trying to solve.

которую мы пытаемся решить.

Here you have a retina.

Вот она, сетчатка.

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

Это происходит так: рисунок — сетчатка — мозг.

So when you look at something, like this image

Когда вы смотрите на что-либо, например, на это изображение

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

лица ребёнка, оно попадает в глаз

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

и опускается на сетчатку,

cells here, the photoreceptors.

на фронтальные клетки, фоторецепторы.

Then what happens is the retinal circuitry,

Затем компонент сетчатки,

the middle part, goes to work on it,

её средний слой, начинает работу

and what it does is it performs operations

и проделывает операции с изображением,

on it, it extracts information from it, and it

извлекая из него информацию,

converts that information into a code.

преобразовывая её в код.

And the code is in the form of these patterns

Код представляет собой

of electrical pulses that get sent

электрические импульсы, посылаемые в мозг;

up to the brain, and so the key thing is

так, суть процесса в том,

that the image ultimately gets converted

что изображение в конце концов преобразуется в код.

into a code. And when I say code,

И, называя его кодом,

I do literally mean code.

я буквально имею в виду код.

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

Именно этот набор импульсов означает — «лицо ребёнка»,

and so when the brain gets this pattern

поэтому, когда мозг получает этот набор импульсов,

of pulses, it knows that what was out there

он понимает, что там было

was a baby's face, and if it

именно лицо ребёнка, и если бы он

got a different pattern it would know

получил другой набор, он бы понял,

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

что там была, скажем, собака,

or another pattern would be a house.

или другой набор означал бы дом.

Anyway, you get the idea.

Думаю, идея ясна.

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

И, конечно, в реальной жизни всё это динамично,

meaning that it's changing all the time,

всё постоянно изменяется,

so the patterns of pulses are changing

и наборы импульсов меняются непрерывно,

all the time because the world you're

ведь созерцаемый вами

looking at is changing all the time too.

мир тоже постоянно меняется.

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

Поэтому это довольно сложный процесс.

thing. You have these patterns of pulses

Наборы импульсов

coming out of your eye every millisecond

выходят из ваших глаз каждую миллисекунду,

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

сообщая мозгу о том, что вы видите.

So what happens when a person

Что же происходит, когда человек

gets a retinal degenerative disease like

страдает дегенеративным заболеванием сетчатки

macular degeneration? What happens is

вроде дистрофии жёлтого пятна?

is that, the front-end cells die,

Происходит следующее: фронтовые клетки отмирают,

the photoreceptors die, and over time,

фоторецепторы отмирают, и со временем

all the cells and the circuits that are

все связанные с ними клетки

connected to them, they die too.

других слоёв тоже отмирают.

Until the only things that you have left

Пока не останутся только лишь

are these cells here, the output cells,

вот эти клетки, периферические клетки,

the ones that send the signals to the brain,

посылающие сигналы в мозг;

but because of all that degeneration

но из-за всей этой дистрофии

they aren't sending any signals anymore.

они больше не посылают сигналы.

They aren't getting any input, so

Они ничего не получают на входе,

the person's brain no longer gets

поэтому человеческий мозг больше не получает

any visual information --

никакой визуальной информации —

that is, he or she is blind.

одним словом, человек теряет зрение.

So, a solution to the problem, then,

Решением проблемы

would be to build a device that could mimic

было бы создание прибора,

the actions of that front-end circuitry

имитирующего действия фронтального слоя,

and send signals to the retina's output cells,

посылающего сигналы клеткам на выходе сетчатки,

and they can go back to doing their

чтобы они могли возобновить

normal job of sending signals to the brain.

работу по отправке сигналов в мозг.

So this is what we've been working on,

Вот над чем мы продолжаем работать,

and this is what our prosthetic does.

и вот как работает наш протез.

So it consists of two parts, what we call

Он состоит из двух частей, мы называем их

an encoder and a transducer.

кодер и передатчик.

And so the encoder does just

Кодер делает буквально

what I was saying: it mimics the actions

следующее: он имитирует действия

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

фронтального слоя сетчатки — принимает изображения

in and converts them into the retina's code.

и преобразует их в код сетчатки.

And then the transducer then makes the

Затем передатчик заставляет

output cells send the code on up

клетки на выходе посылать код в мозг,

to the brain, and the result is

что в итоге позволяет

a retinal prosthetic that can produce

протезу сетчатки работать

normal retinal output.

как нормальная сетчатка.

So a completely blind retina,

Так, абсолютно невидящая сетчатка,

even one with no front-end circuitry at all,

даже абсолютно без фронтальных клеток

no photoreceptors,

и фоторецепторов,

can now send out normal signals,

способна теперь посылать обычные сигналы,

signals that the brain can understand.

понятные головному мозгу.

So no other device has been able

Ни одно другое устройство

to do this.

не было способно на это.

Okay, so I just want to take

Хорошо, сейчас я хочу

a sentence or two to say something about

сказать пару слов

the encoder and what it's doing, because

о кодере и его работе,

it's really the key part and it's

т.к. это основная часть,

sort of interesting and kind of cool.

она интересная и довольно клёвая.

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

Я не уверена, что «клёвая» — самое подходящее слово,

you know what I mean.

но, надеюсь, вы понимаете, о чём я.

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

Кодер делает следующее: он заменяет

the retinal circuitry, really the guts of

центральный слой сетчатки,

the retinal circuitry, with a set of equations,

внутренность сетчатки, набором формул,

a set of equations that we can implement

который мы можем поместить на чип.

on a chip. So it's just math.

Это простая математика.

In other words, we're not literally replacing

Другими словами, мы не буквально заменяем

the components of the retina.

компоненты сетчатки.

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

Мы не делаем мини-устройства

for each of the different cell types.

для каждого типа клеток.

We've just abstracted what the

Мы абстрагировали работу сетчатки

retina's doing with a set of equations.

при помощи формул.

And so, in a way, the equations are serving

Так, в какой-то степени формулы служат

as sort of a codebook. An image comes in,

в качестве кодовой книги. Изображение попадает внутрь,

goes through the set of equations,

проходит через набор формул,

and out comes streams of electrical pulses,

и на выходе получаются электрические импульсы,

just like a normal retina would produce.

которые мы бы получили от здоровой сетчатки.

Now let me put my money

Позвольте мне подкрепить мои слова делом

where my mouth is and show you that

и показать вам, что мы на самом деле

we can actually produce normal output,

можем иметь нормальный выход,

and what the implications of this are.

и какие у этого последствия.

Here are three sets of

Вот три варианта рабочей модели.

firing patterns. The top one is from

Первая представляет

a normal animal, the middle one is from

здоровое животное, средняя —

a blind animal that's been treated with

слепое животное после лечения

this encoder-transducer device, and the

при помощи кодера-передатчика,

bottom one is from a blind animal treated

и нижняя модель представляет слепое животное

with a standard prosthetic.

со стандартным протезом.

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

Нижняя модель — это передовое устройство,

device that's out there right now, which is

используемое в настоящий момент,

basically made up of light detectors,

созданное при помощи фотодатчиков,

but no encoder. So what we did was we

но без кодера. Мы сделали следующее:

presented movies of everyday things --

мы показали видео повседневных вещей —

people, babies, park benches,

людей, детей, скамеек в парке,

you know, regular things happening -- and

обычных происходящих вещей —

we recorded the responses from the retinas

и записали реакцию сетчатки

of these three groups of animals.

у каждой из этих трёх групп животных.

Now just to orient you, each box is showing

Идея такова: каждый прямоугольник показывает

the firing patterns of several cells,

рабочую модель нескольких клеток,

and just as in the previous slides,

и, как и на предыдущих слайдах,

each row is a different cell,

каждый ряд отвечает за определённую клетку.

and I just made the pulses a little bit smaller

Я немного уменьшила импульсы и

and thinner so I could show you

сделала их тоньше, чтобы показать вам

a long stretch of data.

длинный участок информации.

So as you can see, the firing patterns

Как вы можете наблюдать, рабочая модель

from the blind animal treated with

слепого животного

the encoder-transducer really do very

с кодером-передатчиком

closely match the normal firing patterns --

очень похожа на здоровую рабочую модель —

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

она не идеальна, но довольно хороша —

and the blind animal treated with

модель же слепого животного,

the standard prosthetic,

имеющего стандартный протез,

the responses really don't.

не имеет такого эффекта.

And so with the standard method,

При стандартном методе

the cells do fire, they just don't fire

клетки работают, но не достигают эффекта

in the normal firing patterns because

нормальной рабочей модели,

they don't have the right code.

т.к. у них нет нужного кода.

How important is this?

Насколько это важно?

What's the potential impact

Насколько это может повлиять

on a patient's ability to see?

на способность пациента видеть?

So I'm just going to show you one

Сейчас я покажу вам один окончательный эксперимент,

bottom-line experiment that answers this,

который отвечает на эти вопросы.

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

Конечно, у меня есть и другая информация,

so if you're interested I'm happy

так что если вам интересно,

to show more. So the experiment

я рада буду её показать.

is called a reconstruction experiment.

Этот эксперимент называется реконструкцией.

So what we did is we took a moment

Мы взяли один момент

in time from these recordings and asked,

из записи и спросили:

what was the retina seeing at that moment?

что именно сетчатка видела в тот момент?

Can we reconstruct what the retina

Можем ли мы вычислить, что сетчатка видела,

was seeing from the responses

исходя из реакции

from the firing patterns?

рабочей модели?

So, when we did this for responses

Мы проделали это для получения реакции

from the standard method and from

от стандартного метода

our encoder and transducer.

и от нашего кодера-передатчика.

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

Позвольте показать вам,

start with the standard method first.

я начну со стандартного метода.

So you can see that it's pretty limited,

Вы можете видеть, что он довольно ограничен,

and because the firing patterns aren't

и поскольку рабочая модель

in the right code, they're very limited in

нужный код, она ограничена

what they can tell you about

в представлении того,

what's out there. So you can see that

что мы должны видеть. Вы можете видеть что-то,

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

но изображение абсолютно нечёткое,

what that something is, and this just sort of

неясно, что это; это ещё раз

circles back to what I was saying in the

подтверждает мои слова вначале:

beginning, that with the standard method,

при помощи стандартного метода

patients can see high-contrast edges, they

пациенты могут видеть лишь высококонтрастные края,

can see light, but it doesn't easily go

свет, но не более того.

further than that. So what was

Что же это за изображение?

the image? It was a baby's face.

Это лицо ребёнка.

So what about with our approach,

Что если мы к нашему методу

adding the code? And you can see

добавим код? Вы можете видеть

that it's much better. Not only can you

значительное улучшение. Вы не только можете

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

различить лицо ребёнка, но и определить,

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

что это лицо именно этого ребёнка,

really challenging task.

а это довольно сложная задача.

So on the left is the encoder

Слева находится лишь кодер,

alone, and on the right is from an actual

справа же — сама незрячая сетчатка,

blind retina, so the encoder and the transducer.

кодер и передатчик.

But the key one really is the encoder alone,

Главным же является кодер,

because we can team up the encoder with

ведь мы можем подсоединить его

the different transducer.

к другому передатчику.

This is just actually the first one that we tried.

Это всего лишь первый вариант, который мы опробовали.

I just wanted to say something about the standard method.

Я бы хотела сказать пару слов о стандартном методе.

When this first came out, it was just a really

Когда он только появился,

exciting thing, the idea that you

он был потрясающ, мы были рады,

even make a blind retina respond at all.

что слепая сетчатка может в принципе реагировать.

But there was this limiting factor,

Но нас ограничивало

the issue of the code, and how to make

отсутствие кода, мы хотели

the cells respond better,

улучшить реакцию клеток,

produce normal responses,

создать нормальную реакцию,

and so this was our contribution.

это и стало нашим достижением.

Now I just want to wrap up,

В заключение хочу сказать,

and as I was mentioning earlier

как я уже упомянула,

of course I have a lot of other data

у меня, конечно, есть много других материалов,

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

если вам интересно; но я бы хотела остановиться

this sort of basic idea

на главной идее:

of being able to communicate

мы можем общаться

with the brain in its language, and

с мозгом на его языке и имеем

the potential power of being able to do that.

потенциальную возможность делать это.

So it's different from the motor prosthetics

Это отличается от моторного протеза, в котором

where you're communicating from the brain

общение происходит от мозга к прибору.

to a device. Here we have to communicate

Здесь нам нужно передавать информацию

from the outside world

из внешнего мира

into the brain and be understood,

в мозг и быть понятыми,

and be understood by the brain.

мозг должен нас понять.

And then the last thing I wanted

Последнее, о чём я бы хотела сказать,

to say, really, is to emphasize

я бы хотела подчеркнуть,

that the idea generalizes.

что идея может быть обобщена.

So the same strategy that we used

Так, ту же стратегию, что мы используем

to find the code for the retina we can also

при поиске кода для сетчатки, мы можем использовать

use to find the code for other areas,

и при поиске кода для других областей,

for example, the auditory system and

например, для слухового аппарата

the motor system, so for treating deafness

и двигательной системы, для лечения глухоты

and for motor disorders.

и моторных нарушений.

So just the same way that we were able to

Таким же образом, как мы смогли

jump over the damaged

обойти повреждённую область сетчатки,

circuitry in the retina to get to the retina's

чтобы добраться до

output cells, we can jump over the

её клеток на выходе, мы можем обойти

damaged circuitry in the cochlea

повреждённую область ушной улитки,

to get the auditory nerve,

чтобы добраться до слухового нерва,

or jump over damaged areas in the cortex,

или же обойти повреждённые области коры головного мозга

in the motor cortex, to bridge the gap

в его двигательной зоне, чтобы преодолеть разрыв,

produced by a stroke.

вызванный параличом.

I just want to end with a simple

Я хотела бы закончить этой простой идеей:

message that understanding the code

понимание кода

is really, really important, and if we

чрезвычайно важно, если мы

can understand the code,

сможем понять код,

the language of the brain, things become

язык мозга, станут возможными вещи,

possible that didn't seem obviously

абсолютно невозможные прежде.

possible before. Thank you.

Спасибо.

(Applause)

(Аплодисменты)