Den perceptuelle oplevelse af Argus II-brugere

Nethindedystrofier såsom retinitis pigmentosa og makuladegeneration resulterer i dybt synshandicap hos mere end 10 millioner mennesker verden over. En behandlingsteknologi, visuelle neuroproteser, har til formål at genoprette synet ved elektrisk stimulerende af overlevende celler i nethinden eller den tidlige visuelle cortex, analogt med cochleære implantater. To enheder er godkendt til kommerciel brug, mens andre er planlagt til at starte kliniske forsøg inden for få år. Imidlertid lider nuværende enheder af betydelige perceptuelle forvrængninger på grund af interaktioner mellem implantatelektronikken og den underliggende neurofysiologi. Her vil efterforskerne kombinere menneskelig psykofysik, beregningsmodellering, virtual reality (VR) og maskinlæring (ML) for at udvikle og validere nye stimuleringsprotokoller for synsprotesepatienter, der reducerer perceptuelle forvrængninger og derved forbedrer effektiviteten af ​​neuroproteser.

Mål 1: At optimere stimuleringsprotokoller ved hjælp af en psykofysisk valideret phosphenmodel.

De forenklede simuleringsprotokoller, der i øjeblikket anvendes af producenter af proteseanordninger, tager ikke højde for de perceptuelle forvrængninger, der er rapporteret i kliniske forsøg. I modsætning hertil kan en beregningsmodel baseret på psykofysiske data bedre forudsige de perceptuelle forvrængninger af Argus II (Second Sight) brugere.

1. Efterforskerne vil psykofysisk validere beregningsmodellen ved at stimulere vilkårlige kombinationer af enkelte, parrede og multiple elektroder. Modellen vil blive testet i Argus II-patienter, og deres præstationer vil blive sammenlignet med den for 'virtuelle patienter'-seende forsøgspersoner, der ser percepter genereret af modellen.
2. Ved hjælp af træningssæt genereret af modellen, vil efterforskerne træne et dybt neuralt netværk for at lære en omtrentlig omvendt transformation af modellen, der kan bruges til at identificere stimuleringsprotokollen, der minimerer perceptuelle forvrængninger for orienterede gitre og bevægelige stænger. Efterforskerne vil derefter teste, om dette forbedrer ydeevnen af ​​Argus II og virtuelle patienter i en orienteringsdiskrimination og bevægelsesretningsidentifikationsopgave.

Mål 2: At udvikle en forbedret model ved at inkorporere elektrofysiologiske data, der yderligere kan optimere stimuleringsprotokoller.

Modellen udviklet i Mål 1 var baseret på psykofysiske data. Imidlertid er de ovenfor beskrevne forvrængninger også blevet observeret in vitro. I dette mål vil efterforskerne udvikle en forbedret model til at studere, hvordan spatiotemporal neuronal dynamik påvirker protetisk effektivitet. Dette vil udvide søgerummet, inden for hvilket der søges efter optimerede protokoller. Efterforskerne vil:

1. Inkorporer vigtige fysiologiske observationer fra litteraturen i modellen beskrevet ovenfor på en trin-for-trin måde. Efter hvert trin vil effekten af ​​disse ændringer på modellens evne til at forudsige psykofysiske data blive målt.
2. Brug et dybt neuralt netværk til at lære en omtrentlig omvendt transformation af denne mere komplekse forbedrede model, og test, om dette forbedrer ydeevnen for Argus II og virtuelle patienter i en orienteringsdiskrimination og bevægelses-identifikationsopgave.

Mål 3: At udvikle nye stimuleringsprotokoller ved at anvende computersyn til 'virtuelle patienter' i VR.

Efterforskerne vil integrere modellen udviklet i Mål 2 i VR for at generere 'VR-virtuelle patienter' til hurtigt og effektivt at teste nye stimuleringsprotokoller ved hjælp af visuelt typiske individer. Protokoller, der resulterer i god VR-ydelse, vil blive valideret hos rigtige protesepatienter. Efterforskerne vil:

1. Brug virtuelle VR-patienter til at forudsige systematiske fejl hos Argus II-brugere i en to-punkts diskriminationsopgave.
2. Vurder virkningen af ​​øjenbevægelser på adfærdspræstation ved hjælp af en blik-kontingent visning i VR.
3. Vurder potentialet af computersynsforbehandlingsmetoder såsom kantforbedring, retargeting og decluttering for at forbedre synet ved at måle adfærdsmæssige metrikker på en objektgenkendelsesopgave i VR. De mest lovende teknikker vil blive testet i Argus II patienter.

Disse eksperimenter er designet til at kvantificere de perceptuelle oplevelser af retinale protesepatienter og følge standardprocedurer til indsamling af adfærdsdata. Præstation hos patienter vil blive sammenlignet med præstation hos normalt seende kontrolpersoner, der ser stimuli manipuleret til at matche den forventede perceptuelle oplevelse hos protesepatienter.

Efterforskerne vil producere visuelle percepter hos patienter enten ved direkte at stimulere elektroder (ved at bruge FDA-godkendte pulstog) eller ved at bede dem om at se en computer- eller projektorskærm og bruge standard FDA-godkendte stimuleringsprotokoller (som det normalt bruges til deres enheder) til at konvertere computer- eller projektorskærmbillede ind i pulstog på deres elektroder. Alle stimuleringsprotokoller vil være godkendt af FDA. Kontrolpersoner vil se stimuli på en computerskærm eller gennem et virtual reality-system (VR). I nogle tilfælde vil de stimuli, der præsenteres for at kontrollere forsøgspersoner med normalt syn, blive forvrænget for at matche den perceptuelle oplevelse af forsøgspersoner med proteser.

Den normale stimuleringsmetode er en kæde fra et kamera monteret på briller gennem en videobehandlingsenhed (VPU), som konverterer videobilledet til FDA-godkendte elektroniske pulstog.

Nogle gange vil emner blive testet ved hjælp af kameraet. Oftere vil efterforskerne udføre 'direkte stimulering' ved at bruge en ekstern computer til direkte at specificere pulstog (f.eks. et 1s 10 Hz katodisk pulstog med en strømamplitude på 100 mikroAmpere og en pulsbredde på 45 mikrosekunder til elektrode 12) . Disse direkte pulstog sendes derefter til VPU'en.

Denne VPU indeholder software, der sikrer, at disse pulstog er inden for FDA-godkendte sikkerhedsgrænser. For eksempel skal disse pulser være ladningsbalancerede (lige anodisk/katodisk ladning) og skal have en ladningstæthed under 35 mikroCoulombs/cm2. Nogle gange vil emner blive testet ved hjælp af kameraet. Nogle gange vil efterforskerne sende impulser direkte til VPU'en ved direkte at specificere impulstog (f.eks. sende et 1 s 10 Hz katodisk pulstog, med en strømamplitude på 100 mikroamplitude og en pulsbredde på 45 mikroampere til elektrode 12) via Second Sights FDA-godkendte softwarepakke (inklusive deres kliniske tilpasningssystem). Der er to trin i softwaren, der sikrer, at disse pulstog skal forblive inden for FDA-grænserne: (1) hver app i softwarepakken er baseret på en FDA-godkendt applikationsprogrammeringsgrænseflade (API), der udfører kontrol og vil "nådefuldt fejle" hvis de specificerede pulstog er uden for acceptable grænser, (2) er VPU'ens firmware programmeret til kun at levere FDA godkendte pulser.

Frekvensen af ​​pulstoget og pulstogets strømamplitude er faktisk ikke et kritisk sikkerhedsproblem, da det elektroniske/neurale interface er robust over for ekstremt høje stimulationshastigheder og høje strømniveauer.

Imidlertid kan højfrekvente pulstog eller pulstog med høj amplitude forårsage ubehag hos patienter (analogt med at gå fra en mørk biograf til sollys) på grund af at inducere storstilet neuronal affyring. Efterforskerne vil normalt fokusere på pulstogs frekvenser/amplituder, der er inden for det normale område, som patienten bruger, når de bruger deres enhed.

Hvis efterforskerne bruger parametre, der kan forventes at producere en mere intens neural respons (og derfor har potentiale til at forårsage ubehag), vil de altid introducere dem i en trinvis funktion (f.eks. gradvist stigende amplitude), mens de kontrollerer, at fornemmelsen ikke er 'ubehagelig lys', og de vil øjeblikkeligt mindske intensiteten af ​​stimulationen, hvis patienter rapporterer, at fornemmelsen nærmer sig ubehag. PI'en har erfaring med denne tilgang og vil træne alt personale i disse protokoller.

Som reaktion på stimulationen/billedet på monitoren vil forsøgspersoner blive bedt om at foretage adfærdsmæssige vurderinger. Eksempler omfatter detektering af en stimulus ('så du et lys på den prøvelse'), rapportering af størrelse ved at tegne på en berøringsskærm, rapportering af form ved at vælge et taktilt objekt med lignende form eller identifikation af hvilket bogstav, der er blevet præsenteret. Efterforskerne vil bruge standardprotokoller til indsamling af adfærdsdata. Patienten vil enten bruge verbal rapport, tegne figurer på en berøringsskærm eller bruge tastaturet eller tastaturet, der er knyttet til en computer, som et middel til at rapportere om stimuli. Både patientens reaktion og reaktionstid vil blive registreret.

Ingen af ​​disse stimuli vil fremkalde følelsesmæssige reaktioner eller være afersive på nogen måde.

I nogle tilfælde vil efterforskerne også indsamle data, der måler forsøgspersoners øjenposition. Dette er en ikke-invasiv procedure, der vil blive udført ved hjælp af standard eye-tracking udstyr via et infrarødt kamera, der sporer positionen af ​​forsøgspersonernes pupil. Kun målinger som øjenposition eller øjenblink vil blive registreret, så disse data indeholder ikke identificerbar information.

Patienterne vil sidde i en behagelig stol ca. 100 cm fra enten en computerskærm eller en bagprojektionsskærm, hvorpå et billede projiceres ved hjælp af en videoprojektor. Patientens hage vil hvile på en hagestøtte for at forhindre hovedbevægelser. Auditive stimuli kan bruges til at signalere begyndelsen af ​​forsøg/responsperiode. Disse auditive signaler vil være på behagelige lydstyrkeniveauer.

Patienter opfordres til at holde pauser så ofte som nødvendigt (de kan forlade testlokalet). Efterforskerne vil bruge forskellige eksperimentelle teknikker, herunder: (1) Same-different - f.eks. forsøgspersoner får vist to opfattelser og bliver spurgt, om de er ens eller forskellige. (2) Justeringsmetode - f.eks. forsøgspersoner bliver bedt om at justere en visning/stimuleringsintensitet, indtil en percept knap er synlig, (3) 2-alternativ-tvunget valg - f.eks. patienter vil blive præsenteret for to stimuli og spurgt, hvilken af ​​de to stimuli der er skarpere (4) Identifikation - patienter bliver bedt om at identificere hvilket bogstav der blev præsenteret.

I nogle tilfælde vil efterforskerne, ud over at måle nøjagtigheden, også måle forbedring med praksis ved at gentage den samme opgave på tværs af flere sessioner (op til 5 sessioner, hver udført på forskellige testdage).