Новий протокол стимуляції зорового нерва дозволяє генерувати персоналізовані зорові сигнали для допомоги незрячим пацієнтам

17.06.2021

Стимуляція нервової системи за допомогою нейротехнологій відкрила нові можливості для відновлення чутливості на протезах, що забезпечують детальний сенсорний зворотний зв’язок із різною роздільною здатністю дотику. Новим досягненням стала внутрішньоневральна стимуляція зорового нерва, яка є перспективною нейротехнологією для допомоги сліпим людям. Проте зараз ця сучасна технологія має суттєві обмеження та здатна подавати лише прості зорові сигнали.

А втім, мета вчених полягає у тому, щоб спроєктувати ці прості візуальні сигнали, аби вони мали сенс та значення для допомоги незрячим у повсякденному житті. Стимуляція зорового нерва також уникає таких інвазивних процедур, як безпосереднє стимулювання зорової кори мозку. Але як можна оптимізувати стимуляцію зорового нерва для отримання послідовних і значущих зорових відчуттів?

Нещодавно результати спільної роботи EPFL, Scuola Superiore Sant'Anna та Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati були опубліковані у виданні «Patterns». Було показано, що новий протокол стимуляції зорового нерва є перспективним способом розробки персоналізованих зорових сигналів, що також враховують сигнали зорової кори.

Протокол був протестований на штучних нейронних мережах, а саме на згорткових нейронних мережах (convolutional neural networks – CNN), які, як відомо, імітують всю зорову систему та зазвичай використовуються як комп'ютерний зір для виявлення та класифікації об'єктів. Вчені також провели психофізичні тести на десяти здорових суб'єктах, які імітують те, що можна побачити при стимуляції зорового нерва, показавши, що успішна ідентифікація об'єкта зіставна з результатами, отриманими від CNN.

«Ми не просто намагаємося стимулювати зоровий нерв, щоб викликати візуальне сприйняття, – пояснює вчений EPFL і провідний автор дослідження Simone Romeni, – ми розробляємо спосіб оптимізації протоколів стимуляції, який враховує всі реакції зорової система на стимуляцію зорового нерва».

«Дослідження показують, що ми можете оптимізувати стимуляцію зорового нерва за допомогою підходів машинного навчання. Це в цілому показує весь потенціал штучного інтелекту для оптимізації протоколів стимуляції нейропротезних пристроїв», – прокоментував завідувач підрозділу з нейротехніки EPFL та професор біоелектроніки у Scuola Superiore Sant'Anna Silvestro Micera.

Відновлення зору, але з обмеженою роздільною здатністю

Ідея полягає в тому, щоб стимулювати зоровий нерв до індукції фосфенів, що надасть відчуття світла в області поля зору. Вчені EPFL планують використовувати внутрішньонейронні електроди, які пронизують нерв, а не обертаються навколо нього. Але все ще існують величезні обмеження щодо сприйнятого образу.

Обмеження пов’язано із фізіологією зорового нерва порівняно із розмірами електродної технології. Внутрішньонейронний електрод складається з ділянок стимуляції, проте їх мало порівняно з мільйоном аксонів, об’єднаних у зоровому нерві, який має діаметр у кілька міліметрів. Іншими словами, це місце стимуляції досягає сотень тисяч навколишніх нервових волокон або аксонів, що надходять із сітківки, що призводить до дуже грубої електричної стимуляції.  

Налаштування цієї електричної стимуляції є основною проблемою для всіх нейропротезів загалом, а тим більше для оптичних сигналів, які надзвичайно складні в порівнянні зі стимулами, що забезпечують сенсорний зворотний зв'язок, наприклад, із верхніх і нижніх кінцівок.

Робота вчених є першою, яка пропонує автоматичну оптимізацію протоколів стимуляції зорового нерва. «Найважливіший концептуальний прогрес пов'язаний із тим, що ми вперше визначили проблему оптимізації нервової стимуляції шляхом «закриття петлі» на моделях активації кори, – розповів S. Romeni. – У нашій моделі ідея про те, що ми можемо використовувати кортикальні сигнали для керування нервовою стимуляцією, дала результати, порівнянні та навіть кращі, ніж теоретичний оптимум для сучасних підходів до оптимізації нервової стимуляції».

«Наше дослідження доводить, що можна виявити бажані моделі активності у глибоких шарах CNN, які імітують зони кортикального зору. Наступний крок – зрозуміти, які шаблони слід «пробуджувати», щоб викликати сприйняття довільних візуальних об'єктів, – зазначив професор, нейрофізіолог та керівник лабораторії візуальної неврології SISSA Davide Zoccolan. – Щоб вирішити цю проблему, ми зараз працюємо над побудовою прогнозних моделей нейрональних реакцій на основі CNN. Ці моделі вивчають «налаштування» зорових кортикальних нейронів на основі їх реакцій на групу візуальних зображень, таким чином розкриваючи картографування між прийняттям просторових зображень та відповіді на них, що і є центральним механізмом для відновлення зору».

Майбутні клінічні випробування та обчислення

На сьогодні внутрішньонейронні електроди EPFL ще не випробувані на людях.

«Адаптація технології для пацієнтів вимагатиме вирішення варіабельності між предметами – відомої проблеми нейропротезування, – додав Simone Romeni. – Ми далекі від розуміння всього, що стосується нервової системи, і ми знаємо, що нинішня технологія має суттєві обмеження. Наш метод допоможе визначити, як мозок інтерпретує стимуляцію і, сподіваємося, дозволить розробити більш природні й ефективні протоколи».

Джерело: New optic nerve stimulation protocol develops personalized visual signals to help the blind (news-medical.net)

НОВИНИ ЗА ТЕМОЮ Терапія та сімейна медицина

Всесвітній день боротьби з гепатитом 2021 29.07.2021 Терапія та сімейна медицина Всесвітній день боротьби з гепатитом 2021

Щорічно 28 липня відзначають Всесвітній день боротьби з гепатитом. У цей день світова спільнота об'єднується з політиками, фахівцями галузі охорони здоров'я та громадськістю, щоб донести до сотень мільйонів людей життєво важливу інформацію про глобальний тягар вірусних гепатитів, закликати до негайних дій для попередження випадків інфікування і смерті від гепатиту, а також прискорення прогресу на шляху до досягнення мети щодо викорінення цього захворювання....

16.07.2021 Терапія та сімейна медицина Щоденник медичних подій на 19-25 липня

Дорогі читачі! До вашої уваги літній і необтяжливий Щоденник медичних подій. Між відпустками і безтурботними літніми вечорами знайдіть час для вдосконалення і навчання. Для вас медичні освітні заходи на наступний тиждень. ...

09.07.2021 Терапія та сімейна медицина Щоденник медичних подій на 12-18 липня

Дорогі читачі! Літо і пора відпусток диктують свої правила – час відпочивати, розслаблятися і розвантажувати напружений графік роботи. Тому цього разу ми не будемо вас обтяжувати великою кількістю науково-медичних подій. Проте на кілька заходів все ж звернемо вашу увагу. Отже, до вашої уваги традиційний Щоденник медичних подій на 12-18 липня. ...