Obnova a rehabilitace vizuálních informací prostřednictvím technologie smyslové substituce u dětí

Objektivní:

Naším cílem je zjistit, zda lze funkční zlepšení pozorovaná u nevidomých subjektů pomocí BrainPort realizovat v pediatrické kohortě.

Konkrétní cíle:

Cílem tohoto návrhu je zhodnotit nechirurgickou zrakovou protetiku (Vision Device BrainPort), která umožňuje nevidomým vnímat své bezprostřední okolí a určovat způsob, jakým mozek informace interpretuje. Naším hlavním cílem je určit, zda může být zařízení použito v pediatrické populaci měřením zlepšení subjektů oproti výchozímu stavu v kterékoli z následujících oblastí: detekce světla, lokalizace světla, vnímání pohybu a standardizované úlohy rozpoznávání objektů po použití BrainPort .

Jako druhý cíl budou výzkumníci používat multimodální MR skenování ke studiu neurofyziologického základu smyslové substituce u dětí. V rámci tohoto cíle budou vyšetřovatelé sledovat dva hlavní cíle. Nejprve budou vyšetřovatelé korelovat behaviorální data se zobrazovacími daty, aby detekovali oblasti mozku, kde je struktura a/nebo funkce spojena s úspěšným používáním senzorických substitučních zařízení. Za druhé, výzkumníci využijí tato data spolu s dříve shromážděnými daty dospělých k modelování účinků předchozí vizuální zkušenosti na plasticitu zrakové kůry v důsledku slepoty.

Pozadí:

Zařízení pro vidění BrainPort je zraková protetika určená pro nevidomé. Umožňuje vnímání vizuální informace pomocí jazyka a kamerového systému jako párové náhrady oka. Vizuální informace se shromažďují z videokamery a převádějí se do jemných vzorců elektrické stimulace na povrchu jazyka. Díky tréninku uživatelé vnímají tvar, velikost, umístění a pohyb objektů ve svém okolí. Jedná se o funkční, nechirurgický přístroj vyvinutý k demonstraci jako pomůcka pro zrakově postižené.

Hmatové senzorické systémy prokázaly schopnost přenášet do mozku informace, které se obvykle získávají zrakem. Braillovo písmo a dlouhá hůl poskytovaly takové informace nevidomým po desetiletí a v 60. letech 20. století bylo jasně prokázáno, že hmatové vstupy mohou poskytnout přístup k psanému písmu1 a vizuálním obrázkům2. Hlavním omezením rozvoje praktické substituce zraku byla nedostatečná přiměřenost rozhraní mozek-stroj. Před 35 lety Paul Bach-y-Rita, MD napsal: „To, že úspěšný systém smyslové substituce se v současnosti nepoužívá, nemusí být způsobeno omezenými funkčními schopnostmi mozku; může to být způsobeno skutečností, že umělý receptorový systém dosud nebyl zkonstruován tak, aby zpochybnil adaptační schopnosti lidského mozku“3.

BrainPort Vision Device Od roku 1998 se Wicab zaměřuje na výzkum biomedicínského inženýrství a vývoj komerčních zařízení založených na vlastní technologii BrainPort®4. Zařízení pro vidění BrainPort je zraková protetika určená pro nevidomé.

Četné předchozí studie podporují použití jazyka jako senzorického substitučního kanálu2,3,5-8. Náš a další výzkum odhalil, že mozek dokáže správně interpretovat informace ze senzorického substitučního zařízení, i když informace nejsou prezentovány stejnou cestou jako přirozený smyslový systém. Například optický obraz skutečně přijatý okem neputuje dále než sítnice, která převádí obraz na časoprostorové vzory akčních potenciálů podél vláken zrakového nervu. Analýzou těchto vzorců impulsů mozek znovu vytvoří obraz. Tyto impulsy nejsou pro vidění jedinečné. Ve skutečnosti všechny smyslové systémy kódují informace pomocí stejného „jazyka“: neuronových akčních potenciálů. Použijeme-li příklad vidění jako paradigma, smyslová substituce vyžaduje pouze to, aby akční potenciály byly přesně strhávány do alternativního senzorického informačního kanálu. Tréninkem se mozek může naučit vhodně interpretovat informace z alternativního kanálu a následně je zpracovat stejně jako data z neporušeného přirozeného smyslu. Tato technologie proto přináší výhody uživatelům tím, že stimuluje jazyk použitelnými informacemi o jejich prostředí, které někteří uživatelé popsali jako podobné vidění.

Přestože technologie BrainPort stimuluje jazyk prostřednictvím elektrodového pole, stimulace není vůbec bolestivá; zařízení BrainPort vyzařuje pouze 11,85 µJ na pulz (regulační limit pro zařízení na stimulaci kůže: 300 mJ). Ve skutečnosti uživatelé často uvádějí, že tento pocit je jako bublinky šampaňského šumící na jazyku. Účastníci používající zařízení BrainPort, ať už několik hodin každý den v průběhu několika týdnů nebo 20 minut denně po dobu až jednoho roku, nehlásí žádné nepohodlí.

S využitím zobrazování ke studiu nevidomých dětí bylo vykonáno jen málo práce. Werth a Seelos použili fMRI k měření evokované aktivity ve zrakové kůře dětí jako důkaz zlepšení zrakových funkcí po tréninku v terénu (Neurpsychologica. 2005. 43(14): 2011). Nicméně, pokud je nám známo, zobrazování nevidomých dětí k posouzení plasticity zrakové kůry v tak mladém věku nebylo provedeno. V krátkodobém horizontu může zobrazování těchto subjektů zlepšit naši schopnost screeningu pacientů, kteří by měli prospěch ze senzorických substitučních zařízení, a také hodnocení tréninkových paradigmat. Z dlouhodobého hlediska bude pochopení plasticity způsobené zrakovou deprivací důležité nejen pro smyslovou substituci, ale pro všechny strategie obnovy zraku, aby bylo možné identifikovat subjekty, které jsou stále schopné zpracovat vizuální vstup. Jak se vyšetřovatelé pokoušejí modelovat účinky předchozí vizuální zkušenosti na plasticitu ve zrakové kůře po slepotě, děti představují jedinečnou a podstatnou část vzorku pro rozlišení relativních účinků trvání slepoty a časného a pozdního osvojení.

Zařízení BrainPort bylo schváleno FDA od června 2015.

Význam:

Zařízení pro vidění BrainPort je zraková protetika určená pro nevidomé. Umožňuje vnímání vizuální informace pomocí jazyka a kamerového systému jako párové náhrady oka. Vizuální informace se shromažďují z videokamery a převádějí se do jemných vzorců elektrické stimulace na povrchu jazyka. Díky školení uživatelé vnímají tvar, velikost, umístění a pohyb objektů ve svém okolí. Jedná se o funkční, nechirurgický přístroj vyvinutý k demonstraci jako pomůcka pro zrakově postižené. Zařízení pro vidění BrainPort je jedinou novou technologií, která bude v blízké době pravděpodobně dostupná pro řešení problémů s bezpečností a mobilitou vyplývající ze slepoty.

Naše výsledky ukázaly, že použití BrainPortu vede ke zlepšení chování a také k aktivaci ve zrakových kortikálních oblastech pomocí fMRI a PET skenů u dospělých. Studie, která se snaží zjistit, zda lze funkční schopnosti zlepšit také u pediatrické kohorty, je oprávněná z následujících důvodů:

1. Neuroplasticita je nejvyšší v dětství a zrakově deprivovaný mozek bude pravděpodobně nejvíce vnímavý k alternativní senzorické stimulaci v této věkové skupině.
2. BrainPort je neinvazivní.
3. Kromě genové terapie pro Leberovu vrozenou amaurózu v současné době neexistují žádné alternativy k obnovení zraku pro nevidomé děti.
4. BrainPort již má schválení CE a čeká na schválení FDA (dokumenty finální bezpečnostní studie předložené FDA v srpnu 2013) a měl by být k dispozici ke koupi do roku 2014, alespoň v Evropě a Kanadě. Zda by zařízení mohlo být užitečné v dětské populaci, je důležitou klinickou otázkou.
5. Vztah očekávaného přínosu k riziku, které studie představuje, je pro subjekty přinejmenším stejně příznivý jako poměr, který poskytují dostupné alternativní přístupy (trénink naslepo).