L'expérience perceptive des utilisateurs d'Argus II

Les dystrophies rétiniennes telles que la rétinite pigmentaire et la dégénérescence maculaire entraînent une déficience visuelle profonde chez plus de 10 millions de personnes dans le monde. Une technologie de traitement, les neuroprothèses visuelles, vise à restaurer la vision en stimulant électriquement les cellules survivantes de la rétine ou du cortex visuel précoce, analogues aux implants cochléaires. Deux appareils sont approuvés pour une utilisation commerciale, d'autres devant commencer des essais cliniques d'ici quelques années. Cependant, les dispositifs actuels souffrent d'importantes distorsions de perception dues aux interactions entre l'électronique de l'implant et la neurophysiologie sous-jacente. Ici, les chercheurs combineront la psychophysique humaine, la modélisation informatique, la réalité virtuelle (VR) et l'apprentissage automatique (ML) pour développer et valider de nouveaux protocoles de stimulation pour les patients porteurs de prothèses visuelles qui réduisent les distorsions perceptuelles et améliorent ainsi l'efficacité des neuroprothèses.

Objectif 1 : Optimiser les protocoles de stimulation à l'aide d'un modèle phosphène validé psychophysiquement.

Les protocoles de simulation simplistes actuellement utilisés par les fabricants de prothèses ne tiennent pas compte des distorsions de perception rapportées dans les essais cliniques. En revanche, un modèle informatique basé sur des données psychophysiques peut mieux prédire les distorsions perceptives des utilisateurs d'Argus II (Second Sight).

1. Les enquêteurs valideront psychophysiquement le modèle de calcul en stimulant des combinaisons arbitraires d'électrodes simples, appariées et multiples. Le modèle sera testé chez des patients Argus II, et leurs performances seront comparées à celles de sujets voyants de « patients virtuels » visualisant les perceptions générées par le modèle.
2. À l'aide d'ensembles d'apprentissage générés par le modèle, les chercheurs formeront un réseau neuronal profond pour apprendre une transformation inverse approximative du modèle qui peut être utilisée pour identifier le protocole de stimulation qui minimise les distorsions perceptuelles pour les réseaux orientés et les barres mobiles. Les chercheurs testeront ensuite si cela améliore les performances d'Argus II et des patients virtuels dans une tâche de discrimination d'orientation et d'identification de la direction du mouvement.

Objectif 2 : Développer un modèle amélioré en incorporant des données électrophysiologiques permettant d'optimiser davantage les protocoles de stimulation.

Le modèle développé dans le but 1 était basé sur des données psychophysiques. Cependant, les distorsions décrites ci-dessus ont également été observées in vitro. Dans ce but, les chercheurs développeront un modèle amélioré pour étudier comment la dynamique neuronale spatio-temporelle impacte l'efficacité prothétique. Cela élargira l'espace de recherche dans lequel rechercher des protocoles optimisés. Les enquêteurs vont :

1. Incorporer les observations physiologiques clés de la littérature dans le modèle décrit ci-dessus d'une manière étape par étape. Après chaque étape, l'effet de ces altérations sur la capacité du modèle à prédire les données psychophysiques sera mesuré.
2. Utilisez un réseau neuronal profond pour apprendre une transformation inverse approximative de ce modèle amélioré plus complexe, et testez si cela améliore les performances d'Argus II et des patients virtuels dans une tâche de discrimination d'orientation et d'identification de direction de mouvement.

Objectif 3 : Développer de nouveaux protocoles de stimulation en appliquant la vision par ordinateur à des « patients virtuels » en réalité virtuelle.

Les chercheurs intégreront le modèle développé dans l'objectif 2 en réalité virtuelle pour générer des « patients virtuels en réalité virtuelle » afin de tester rapidement et efficacement de nouveaux protocoles de stimulation en utilisant des individus visuellement typiques. Les protocoles qui aboutissent à de bonnes performances VR seront validés chez de vrais patients porteurs de prothèses. Les enquêteurs vont :

1. Utilisez des patients virtuels VR pour prédire les erreurs systématiques des utilisateurs d'Argus II dans une tâche de discrimination en deux points.
2. Évaluez l'impact des mouvements oculaires sur les performances comportementales à l'aide d'un affichage en fonction du regard en VR.
3. Évaluez le potentiel des méthodes de prétraitement de la vision par ordinateur telles que l'amélioration des bords, le reciblage et le désencombrement pour améliorer la vision en mesurant les métriques comportementales sur une tâche de reconnaissance d'objets en réalité virtuelle. Les techniques les plus prometteuses seront testées chez des patients Argus II.

Ces expériences sont conçues pour quantifier les expériences perceptuelles des patients porteurs de prothèses rétiniennes et suivre les procédures standard de collecte de données comportementales. Les performances chez les patients seront comparées aux performances chez des sujets témoins normalement voyants visualisant des stimuli manipulés pour correspondre à l'expérience perceptuelle attendue des patients porteurs de prothèses.

Les enquêteurs produiront des perceptions visuelles chez les patients soit en stimulant directement des électrodes (à l'aide de trains d'impulsions approuvés par la FDA), soit en leur demandant de regarder un ordinateur ou un écran de projection et en utilisant des protocoles de stimulation standard approuvés par la FDA (comme c'est le cas pour leurs appareils) pour convertir le l'image d'un ordinateur ou d'un écran de projecteur en trains d'impulsions sur leurs électrodes. Tous les protocoles de stimulation seront approuvés par la FDA. Les sujets témoins verront les stimuli sur un écran d'ordinateur ou via un système de réalité virtuelle (VR). Dans certains cas, les stimuli présentés aux sujets témoins ayant une vision normale seront déformés de manière à correspondre à l'expérience perceptive des sujets porteurs de prothèses.

La méthode normale de stimulation est une chaîne d'une caméra montée sur des lunettes à travers une unité de traitement vidéo (VPU) qui convertit l'image vidéo en trains d'impulsions électroniques approuvés par la FDA.

Parfois, les sujets seront testés à l'aide de l'appareil photo. Le plus souvent, les enquêteurs effectueront une «stimulation directe» en utilisant un ordinateur externe pour spécifier directement les trains d'impulsions (par exemple, un train d'impulsions cathodiques de 1 s à 10 Hz, avec une amplitude de courant de 100 microampères et une largeur d'impulsion de 45 microsecondes à l'électrode 12) . Ces trains d'impulsions directes sont ensuite envoyés au VPU.

Ce VPU contient un logiciel qui s'assure que ces trains d'impulsions sont dans les limites de sécurité approuvées par la FDA. Par exemple, ces impulsions doivent être équilibrées en charge (charge anodique/cathodique égale) et doivent avoir une densité de charge inférieure à 35 microCoulombs/cm2. Parfois, les sujets seront testés à l'aide de l'appareil photo. Parfois, les enquêteurs enverront directement des impulsions au VPU en spécifiant directement des trains d'impulsions (par ex. envoyer un train d'impulsions cathodiques de 1 s à 10 Hz, avec une amplitude de courant de 100 microampères et une largeur d'impulsion de 45 microampères à l'électrode 12) via la suite logicielle approuvée par la FDA de Second Sight (y compris leur système d'adaptation clinique). Il y a deux étapes dans le logiciel qui garantissent que ces trains d'impulsions doivent rester dans les limites de la FDA : (1) chaque application de la suite logicielle est basée sur une interface de programmation d'application (API) approuvée par la FDA qui effectue des vérifications et "erreur gracieuse" si les trains d'impulsions spécifiés sont en dehors des limites acceptables, (2) le micrologiciel du VPU est programmé pour ne délivrer que des impulsions approuvées par la FDA.

La fréquence du train d'impulsions et l'amplitude actuelle du train d'impulsions ne sont pas réellement un problème de sécurité critique, car l'interface électronique/neurale est robuste à des taux de stimulation extrêmement élevés et à des niveaux de courant élevés.

Cependant, les trains d'impulsions à haute fréquence ou les trains d'impulsions à haute amplitude peuvent produire une gêne chez les patients (analogue au passage d'une salle de cinéma sombre à la lumière du soleil) en raison de l'induction d'une décharge neuronale à grande échelle. Les enquêteurs se concentreront normalement sur les fréquences/amplitudes des trains d'impulsions qui se situent dans la plage normale utilisée par le patient lors de l'utilisation de son appareil.

Si les enquêteurs utilisent des paramètres susceptibles de produire une réponse neuronale plus intense (et donc susceptibles de provoquer une gêne), ils les introduiront toujours dans une fonction par étapes (par ex. augmentant progressivement l'amplitude) tout en vérifiant que la sensation n'est pas "incommodément brillante", et ils diminueront immédiatement l'intensité de la stimulation si les patients signalent que la sensation se rapproche de l'inconfort. Le PI a de l'expérience dans cette approche et formera tout le personnel sur ces protocoles.

En réponse à la stimulation/image sur le moniteur, les sujets seront invités à faire des jugements comportementaux. Les exemples incluent la détection d'un stimulus ("avez-vous vu une lumière sur cet essai"), le rapport de taille en dessinant sur un écran tactile, le rapport de forme en sélectionnant un objet tactile de forme similaire ou l'identification de la lettre qui a été présentée. Les enquêteurs utiliseront des protocoles standard pour collecter des données comportementales. Le patient utilisera soit un rapport verbal, dessinera des formes sur un écran tactile, ou utilisera le clavier ou le pavé numérique connecté à un ordinateur comme moyen de rapport sur les stimuli. La réponse du patient et le temps de réaction seront enregistrés.

Aucun de ces stimuli ne suscitera de réponses émotionnelles ou ne sera aversif de quelque manière que ce soit.

Dans certains cas, les enquêteurs recueilleront également des données mesurant la position des yeux des sujets. Il s'agit d'une procédure non invasive qui sera réalisée à l'aide d'un équipement standard de suivi oculaire via une caméra infrarouge qui suit la position de la pupille des sujets. Seules les mesures telles que la position des yeux ou les clignements des yeux seront enregistrées, de sorte que ces données ne contiennent pas d'informations identifiables.

Les patients seront assis dans une chaise confortable à environ 100 cm d'un écran d'ordinateur ou d'un écran de rétroprojection sur lequel une image est projetée à l'aide d'un vidéoprojecteur. Le menton du patient reposera sur une mentonnière afin d'éviter les mouvements de la tête. Des stimuli auditifs peuvent être utilisés pour indiquer le début de la période d'essais/réponse. Ces signaux auditifs seront à des niveaux sonores confortables.

Les patients sont encouragés à faire des pauses aussi souvent que nécessaire (ils peuvent quitter la salle d'examen). Les enquêteurs utiliseront diverses techniques expérimentales, notamment : (1) Même-différent - par ex. on montre aux sujets deux percepts et on leur demande s'ils sont identiques ou différents. (2) Méthode d'ajustement - par ex. les sujets sont invités à ajuster une intensité d'affichage/stimulation jusqu'à ce qu'un percept soit à peine visible, (3) choix forcé à 2 alternatives - par ex. les patients seront présentés avec deux stimuli et on leur demandera lequel des deux stimuli est le plus brillant (4) Identification - les patients sont invités à identifier quelle lettre a été présentée.

Dans certains cas, en plus de mesurer la précision, les enquêteurs mesureront également l'amélioration avec la pratique en répétant la même tâche sur plusieurs sessions (jusqu'à 5 sessions, chacune effectuée à des jours de test différents).