Sheila Nirenberg: A prosthetic eye to treat blindness

Перекладач: Antonina Lukavenko Утверджено: Ruslan Savchuk

I study how the brain processes

Я вивчаю як мозок оброблює

information. That is, how it takes

інформацію. Тобто, як він приймає

information in from the outside world, and

інформацію із навколишнього світу, і

converts it into patterns of electrical activity,

перетворює її у шаблони електричної активності,

and then how it uses those patterns

і потім, як він використовує ці шаблони,

to allow you to do things --

щоб дозволити вам робити певні речі --

to see, hear, to reach for an object.

щоб бачити, чути, щоб дістатися до об'єкта.

So I'm really a basic scientist, not

Так що я насправді фундаментальний вчений, а не

a clinician, but in the last year and a half

лікар, але в останні рік-півтора

I've started to switch over, to use what

я почала переходити, використовувати те, що

we've been learning about these patterns

ми дізнавалися про ці шаблони

of activity to develop prosthetic devices,

активності для розробки протезних пристроїв,

and what I wanted to do today is show you

і сьогодні я хотіла показати вам

an example of this.

приклад цього.

It's really our first foray into this.

Це насправді наш перший напад на це.

It's the development of a prosthetic device

Це розробка протезного пристрою

for treating blindness.

для лікування сліпоти.

So let me start in on that problem.

Тож дозвольте мені розпочати з цієї проблеми.

There are 10 million people in the U.S.

В США є 10 мільйонів,

and many more worldwide who are blind

а в усьому світі набагато більше сліпих людей

or are facing blindness due to diseases

або тих, хто зтикається з сліпотою через захворювання

of the retina, diseases like

сітківки, такі захворювання, як

macular degeneration, and there's little

дегенерація жовтої плями, і мало

that can be done for them.

що може бути зроблено для них.

There are some drug treatments, but

Існує певне медикаментозне лікування, але

they're only effective on a small fraction

воно ефективне лише для невеликої частини

of the population. And so, for the vast

населення. А отже, для переважної

majority of patients, their best hope for

більшості пацієнтів, їх найбільші надії на

regaining sight is through prosthetic devices.

відновлення - це через протезні пристрої.

The problem is that current prosthetics

Проблема в тому, що нинішні протези

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

не дуже добре працюють. Вони досі дуже

limited in the vision that they can provide.

обмежені в можливостях забезпечення бачення.

And so, you know, for example, with these

І так, ви знаєте, наприклад, з цими

devices, patients can see simple things

пристроями, пацієнти можуть бачити прості речі, такі

like bright lights and high contrast edges,

як яскраве світло і висококонтрастні контури,

not very much more, so nothing close

і не більше, тож нічого схожого

to normal vision has been possible.

на нормальний зір не стало можливим.

So what I'm going to tell you about today

Тож, я збираюсь розповісти вам сьогодні

is a device that we've been working on

про пристрій над яким ми працюємо,

that I think has the potential to make

котрий, я вважаю, має потенціал змінити

a difference, to be much more effective,

ситуацію, бути набагато ефективнішим,

and what I wanted to do is show you

і що я хотіла б зробити, це показати вам

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

як він працює. Отже, дозвольте мені повернутися назад

little bit and show you how a normal retina

трохи і показати вам, як нормальна сітківка

works first so you can see the problem

працює, щоб ви могли побачити проблему,

that we were trying to solve.

яку ми намагаємося вирішити.

Here you have a retina.

Ось сітківка.

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

Таким чином, ви маєте зображення, сітківку, і мозок.

So when you look at something, like this image

Тому коли ви дивитесь на щось, наприклад на цю фотографію

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

дитячого обличчя, воно надходить до вашого ока

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

і потрапляє на сітківку, на передні

cells here, the photoreceptors.

клітини тут, фоторецептори.

Then what happens is the retinal circuitry,

Потім відбувається наступне: схема сітківки,

the middle part, goes to work on it,

середня частина, починає працювати над цим,

and what it does is it performs operations

і от що вона робить: вона виконує операції

on it, it extracts information from it, and it

над цим, вона витягує інформацію з нього, і

converts that information into a code.

і перетворює цю інформацію у код.

And the code is in the form of these patterns

І код має вигляд цих шаблонів

of electrical pulses that get sent

електричних імпульсів, які надсилаються

up to the brain, and so the key thing is

до мозку, і тому головним є те,

that the image ultimately gets converted

що зображення в кінцевому рахунку є конвертованим

into a code. And when I say code,

у код. І коли я кажу "код",

I do literally mean code.

я буквально маю на увазі код.

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

Як цей шаблон імпульсів тут насправді означає "обличчя дитини",

and so when the brain gets this pattern

і тому, коли мозок отримую цей шаблон

of pulses, it knows that what was out there

імпульсів, він знає, що те, що було там,

was a baby's face, and if it

було обличчям дитини, і якщо він

got a different pattern it would know

отримує інший шаблон він буде знати

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

що те, що було там, було, скажімо, собакою,

or another pattern would be a house.

або інший шаблон буде будинком.

Anyway, you get the idea.

У будь-якому випадку, ви зрозуміли ідею.

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

І, звичайно, в реальному житті, це все динамічне,

meaning that it's changing all the time,

що означає, що воно змінюється постійно,

so the patterns of pulses are changing

тож схеми імпульсів змінюються

all the time because the world you're

постійно, тому що світ, на який ви

looking at is changing all the time too.

дивитесь, також постійно змінюється.

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

Отже, ви знаєте, це свого роду складна

thing. You have these patterns of pulses

річ. У вас ці шаблони імпульсів

coming out of your eye every millisecond

надходять з вашого ока кожну мілісекунду,

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

повідомляючи вашому мозку, що ви бачите.

So what happens when a person

Отже, що трапляється, коли людина

gets a retinal degenerative disease like

має дегенеративне захворбвання сітківки, таке як

macular degeneration? What happens is

дегенерація жовтої плями? А відбувається

is that, the front-end cells die,

наступне: передні клітини відмирають,

the photoreceptors die, and over time,

фоторецептори відмирають, і з плином часу,

all the cells and the circuits that are

всі клітини і ланцюги, що

connected to them, they die too.

з'єднані з ними, вони відмирають також.

Until the only things that you have left

Доки єдине, що у вас залишиться -

are these cells here, the output cells,

ці клітини тут, вихідні клітини,

the ones that send the signals to the brain,

ті, які посилають сигнал в мозок,

but because of all that degeneration

але через всю ту дегенерацію

they aren't sending any signals anymore.

вони більше не посилають жодного сигналу у мозок.

They aren't getting any input, so

Вони не отримують жодної вхідної інформаці, тому

the person's brain no longer gets

мозок людини більше не отримує

any visual information --

жодної візуальної інформації --

that is, he or she is blind.

тобто, він або вона сліпа.

So, a solution to the problem, then,

Таким чином, вирішенням проблеми

would be to build a device that could mimic

була б побудова пристрою, який міг би імітувати

the actions of that front-end circuitry

дії передніх схем

and send signals to the retina's output cells,

і надсилати сигнали до вихідних клітин сітківки,

and they can go back to doing their

і вони можуть повернутися до виконання їх

normal job of sending signals to the brain.

нормальної роботи надсилання сигналів до мозку.

So this is what we've been working on,

Так що це те, над чим ми працюємо,

and this is what our prosthetic does.

і це те, що робить наш протез.

So it consists of two parts, what we call

Отже, він складається з двох частин, які ми називаємо

an encoder and a transducer.

кодувальником та датчиком.

And so the encoder does just

І отже, кодувальник робить саме те,

what I was saying: it mimics the actions

що я говорила: він імітує дії

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

передніх схем -- так що вони отримують зображення

in and converts them into the retina's code.

і перевторюють їх у код сітківки.

And then the transducer then makes the

І потім датчик змушує

output cells send the code on up

вихідні клітини надсилати код

to the brain, and the result is

до мозку, і результатом є

a retinal prosthetic that can produce

протези сітківки, які можуть виробляти

normal retinal output.

нормальну вихідну інформацію сітківки.

So a completely blind retina,

Тож повністю сліпа сітківка,

even one with no front-end circuitry at all,

навіть без будь-яких передніх "схем",

no photoreceptors,

без фоторецепторів,

can now send out normal signals,

може тепер відправляти нормальний сигнал,

signals that the brain can understand.

сигнал, котрий мозок зможе зрозуміти.

So no other device has been able

Таким чином жоден інший пристрій не в змозі

to do this.

зробити це.

Okay, so I just want to take

Добре, тож я тільки хочу додати

a sentence or two to say something about

речення або два, щоб сказати дещо про

the encoder and what it's doing, because

кодувальник і що він робить, бо

it's really the key part and it's

це дійсно ключова частина і

sort of interesting and kind of cool.

свого роду цікаво і круто.

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

Я не впевнена, що "круто" дійсно правильне слово, але

you know what I mean.

ви знаєте, що я маю на увазі.

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

Отже, от що він робить: він замінює

the retinal circuitry, really the guts of

"схему" сітківки, насправді нутрощі

the retinal circuitry, with a set of equations,

"схеми" сітківки, на систему рівнянь,

a set of equations that we can implement

систему рівнянь, яку ми можемо реалізувати

on a chip. So it's just math.

в чіпі. Так що це просто математика.

In other words, we're not literally replacing

Іншими словами, ми не в буквальному сенсі замінюємо

the components of the retina.

компоненти сітківки.

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

Це не так, наче ми робимо невеликі міні-пристрої

for each of the different cell types.

для кожного .з різних типів клітин

We've just abstracted what the

Ми лише абстрагуємо те, що сітківка

retina's doing with a set of equations.

робить із системою рівнянь.

And so, in a way, the equations are serving

І так, в деякому розумінні, рівняння служать

as sort of a codebook. An image comes in,

чимось, на зразок кодового словника. Зображення надходить,

goes through the set of equations,

проходить через систему рівнянь,

and out comes streams of electrical pulses,

і виходить потоками електричних імпульсів,

just like a normal retina would produce.

такими, які нормальна сітківка виробляла б.

Now let me put my money

Тепер дозвольте мені відповісти

where my mouth is and show you that

за свої слова і показати вам, що

we can actually produce normal output,

ми можемо дійсно виробляти нормальний вихідний сигнал,

and what the implications of this are.

і які з цього наслідки.

Here are three sets of

Ось три набори

firing patterns. The top one is from

активних шаблонів. Верхній належить

a normal animal, the middle one is from

нормальній тварині, середній --

a blind animal that's been treated with

сліпій тварині, вилікуваній за допомогою

this encoder-transducer device, and the

цього кодувальнико-датчикового пристрою, і

bottom one is from a blind animal treated

нижній належить сліпій тварині, вилікуваній

with a standard prosthetic.

за допомогою стандартного протеза.

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

Отже нижній - це найновіший

device that's out there right now, which is

з пристроїв, що існують зараз, який

basically made up of light detectors,

в основному створений на основі приймачів світла,

but no encoder. So what we did was we

але не кодувальників. Отже, от що ми зробили: ми

presented movies of everyday things --

представили фільми про повсякденні речі --

people, babies, park benches,

люди, діти, паркові лавки,

you know, regular things happening -- and

знаєте, повсякденні явища -- і

we recorded the responses from the retinas

ми записали відгуки сітківок

of these three groups of animals.

цих трьох груп тварин.

Now just to orient you, each box is showing

Тепер, тільки щоб зорієнтувати вас, кожне вікно показує

the firing patterns of several cells,

активні шаблони декількох клітин,

and just as in the previous slides,

і так само як у попередніх слайдах,

each row is a different cell,

кожен ряд - це інша клітина,

and I just made the pulses a little bit smaller

і я тільки що зробила імпульси трохи меншими

and thinner so I could show you

і тоншими, так що я можу показати вам

a long stretch of data.

великий відрізок даних.

So as you can see, the firing patterns

Отже, як ви можете бачити, активні шаблони

from the blind animal treated with

сліпої тварини, вилікуваної за допомогою

the encoder-transducer really do very

кодувальника-датчика дійсно дуже

closely match the normal firing patterns --

близько повторюють нормальні активні шаблони--

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

і це не ідеально, але достатьно добре --

and the blind animal treated with

і сліпа тварина, вилікувана за допомогою

the standard prosthetic,

стандартного протезу,

the responses really don't.

відповідності насправді не має.

And so with the standard method,

І тому із стандартними методами,

the cells do fire, they just don't fire

клітини активні, вони тільки не активні

in the normal firing patterns because

за нормальними активними шаблонами, тому що

they don't have the right code.

вони не мають нормального коду.

How important is this?

Наскільки це важливо?

What's the potential impact

Який потенційний вплив

on a patient's ability to see?

на можливість пацієнта бачити?

So I'm just going to show you one

Отже я просто хочу показати вам один

bottom-line experiment that answers this,

підсумковий експеримент, що відповідає цьому,

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

і, звичайно, я маю багато іншої інформації,

so if you're interested I'm happy

тож якщо ви зацікавлені, я буду рада

to show more. So the experiment

показати більше. Отже експермент

is called a reconstruction experiment.

називається експериментальною реконструкцією.

So what we did is we took a moment

Отже, що ми зробили, ми взяли момент

in time from these recordings and asked,

часу із цього запису і запитали,

what was the retina seeing at that moment?

що сітківка бачила в цей момент?

Can we reconstruct what the retina

Чи можемо ми реконструювати те, що сітківка

was seeing from the responses

бачила з відповідей

from the firing patterns?

від активації шаблонів?

So, when we did this for responses

Тож, ми зробили це для відповідей

from the standard method and from

зі стандартних методів і з

our encoder and transducer.

наших кодувальника і датчика.

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

Отже, дозвольте мені показати вам, і я збираюсь

start with the standard method first.

розпочати зі стандартних методів спочатку.

So you can see that it's pretty limited,

Так що ви можете бачити, що він доволі обмежений,

and because the firing patterns aren't

і тому що активні шаблони не

in the right code, they're very limited in

у правильному коді, вони дуже обмежені в

what they can tell you about

тому, що можуть розказати вам про те,

what's out there. So you can see that

що знаходиться ззовні. Тож ви можете бачити, що

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

там щось є, але не ясно,

what that something is, and this just sort of

чим саме воно є, і це свого роду

circles back to what I was saying in the

повернення до того, що я казала на

beginning, that with the standard method,

початку, що із стандартними методами,

patients can see high-contrast edges, they

пацієнти можуть бачити висококонтрастні контури, вони

can see light, but it doesn't easily go

можуть бачити світло, але це не заходить

further than that. So what was

далі ніж це. Тож чим було

the image? It was a baby's face.

зображення? Це було обличчя дитини.

So what about with our approach,

А що стосовно нашого підходу

adding the code? And you can see

додавання коду? І ви можете бачити,

that it's much better. Not only can you

що це набагато краще. Ви можете не тільки

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

сказати, що це обличчя дитини, ви можете

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

сказати, що це саме це обличчя дитини, що є

really challenging task.

дійсно складним завданням.

So on the left is the encoder

Отже, зліва кодувальник

alone, and on the right is from an actual

сам, і праворуч від фактично

blind retina, so the encoder and the transducer.

сліпої сітківки, тобто енкодер і датчик.

But the key one really is the encoder alone,

Але головним є кодувальник сам,

because we can team up the encoder with

тому що ми можемо об'єднати кодувальник з

the different transducer.

різними датчиками.

This is just actually the first one that we tried.

Це насправді перше, що ми спробували.

I just wanted to say something about the standard method.

Я тільки хочу сказати дещо про стандартний метод.

When this first came out, it was just a really

Коли це вперше з'явилось, це була дійсно

exciting thing, the idea that you

захоплююча річ, сама ідея, що ви

even make a blind retina respond at all.

просто змусили сліпу сітківку відповісти.

But there was this limiting factor,

Але там був цей обмежуючий фактор,

the issue of the code, and how to make

питання про код, і як змусити

the cells respond better,

клітини відповідати краще,

produce normal responses,

створювати нормальні відповіді,

and so this was our contribution.

і так, це був наш внесок.

Now I just want to wrap up,

Тепер я хочу лише підбити підсумки,

and as I was mentioning earlier

і, як я згадувала раніше,

of course I have a lot of other data

звісно я маю багато іншої інформації

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

якщо ви зацікавлені, але я лише хотіла дати

this sort of basic idea

свого роду основну ідею

of being able to communicate

можливості зв'язку

with the brain in its language, and

із мозком на його мові, і

the potential power of being able to do that.

потенційну силу, щоб бути здатним зробити це.

So it's different from the motor prosthetics

Так що це відрізняється від рушійних протезів

where you're communicating from the brain

де ви встановлюєте зв'язок від мозку

to a device. Here we have to communicate

до пристрою. Тут ми маємо встановити зв'язок

from the outside world

із зовнішнього світу

into the brain and be understood,

до мозку і щоб зрозумів,

and be understood by the brain.

щоб мозок це зрозумів.

And then the last thing I wanted

І потім, останнє що я хотіла

to say, really, is to emphasize

сказати, дійсно, щоб підкреслити,

that the idea generalizes.

що ідея узагальнюється.

So the same strategy that we used

Отже, ту саму стратегію, яку ми використали,

to find the code for the retina we can also

щоб знайти код для сітківки ми також можемо

use to find the code for other areas,

використати, щоб знайти код для інших зон,

for example, the auditory system and

наприклад, слухової системи і

the motor system, so for treating deafness

опорно-рухової системи, а отже для лікування глухоти

and for motor disorders.

і рухових порушень.

So just the same way that we were able to

Тож таким же чином, як ми були в змозі

jump over the damaged

перестрибнути через пошкоджені

circuitry in the retina to get to the retina's

схеми сітківки, щоб дістатися до

output cells, we can jump over the

вихідних клітин сітківки, ми можемо перестрибнути

damaged circuitry in the cochlea

через пошкоджені схеми у завитці,

to get the auditory nerve,

щоб дістатися до слухового нерва,

or jump over damaged areas in the cortex,

або перестрибнути через пошкоджені зони у корі,

in the motor cortex, to bridge the gap

у руховій корі, щоб ліквідувати розрив,

produced by a stroke.

викликаний інсультом.

I just want to end with a simple

Я тільки хочу закінчити із простим

message that understanding the code

повідомленням, що розуміння коду

is really, really important, and if we

це дійсно, дійсно важливо, і якщо ми

can understand the code,

можемо зрозуміти код,

the language of the brain, things become

мову мозку, стануть можливими

possible that didn't seem obviously

речі, які здавалося, не уявлялися

possible before. Thank you.

можливим раніше. Дякую.

(Applause)

(Аплодисменти)