Vizuális információ helyreállítása és rehabilitációja szenzoros helyettesítő technológiával gyermekeknél

Célkitűzés:

Célunk annak meghatározása, hogy a BrainPortot használó vak alanyoknál tapasztalt funkcionális javulás megvalósítható-e gyermekgyógyászati ​​kohorszban.

Konkrét célok:

A javaslat célja egy nem sebészi célú vizuális protézis (BrainPort látóeszköz) értékelése, amely lehetővé teszi a vak számára, hogy értékelje közvetlen környezetét, és meghatározza, hogyan értelmezi az agy az információt. Fő célunk annak meghatározása, hogy az eszköz használható-e gyermekpopulációban, az alanyok kiindulási állapothoz viszonyított javulásának mérésével a következő területek valamelyikén: fényérzékelés, fény lokalizáció, mozgásérzékelés és szabványos tárgyfelismerési feladatok a BrainPort használata után. .

Második célként a kutatók multimodális MR-vizsgálatot alkalmaznak a szenzoros szubsztitúció neurofiziológiai alapjainak tanulmányozására gyermekeknél. E cél értelmében a nyomozók két fő célt követnek majd. Először is, a kutatók összefüggésbe hozzák a viselkedési adatokat a képalkotó adatokkal annak érdekében, hogy felderítsék az agy azon régióit, ahol a szerkezet és/vagy funkció összefüggésbe hozható a szenzoros helyettesítő eszközök sikeres használatával. Másodszor, a kutatók ezeket az adatokat a korábban gyűjtött felnőttkori adatokkal együtt felhasználják, hogy modellezzék a korábbi vizuális tapasztalatok hatását a látókéreg vakság miatti plaszticitására.

Háttér:

A BrainPort látóeszköz vakok számára készült vizuális protézis. Lehetővé teszi a vizuális információk észlelését a nyelv és a kamerarendszer segítségével, mint a szem páros helyettesítője. A vizuális információkat egy videokamerából gyűjtik össze, és a nyelv felszínén gyengéd elektromos stimulációs mintákká alakítják át. A képzés során a felhasználók érzékelik a környezetükben lévő tárgyak alakját, méretét, elhelyezkedését és mozgását. Ez egy funkcionális, nem sebészeti eszköz, amelyet a látássérültek bemutatására fejlesztettek ki.

A tapintható szenzoros rendszerek bebizonyosodott, hogy képesek olyan információkat továbbítani az agyba, amelyeket általában vizuálisan szereznek be. A Braille-írás és a hosszú bot évtizedek óta szolgáltat ilyen információkat a vakoknak, és az 1960-as években egyértelműen bebizonyosodott, hogy a tapintható bemenetek hozzáférést biztosítanak az írott nyomatokhoz1 és a vizuális képekhez2. A gyakorlati látáshelyettesítés fejlesztésének fő korlátja az agy-gép interfészek elégtelensége volt. Harmincöt évvel ezelőtt Paul Bach-y-Rita orvos azt írta: „Az, hogy egy sikeres szenzoros szubsztitúciós rendszer jelenleg nincs használatban, nem biztos, hogy az agy korlátozott funkcionális képességeinek tudható be, hanem annak a ténynek, hogy egy mesterséges receptorrendszer. még nem úgy alkották meg, hogy megkérdőjelezze az emberi agy alkalmazkodóképességét"3.

BrainPort Vision Device 1998 óta a Wicab az orvosbiológiai mérnöki kutatásra és a kereskedelmi eszközök fejlesztésére összpontosít a szabadalmaztatott BrainPort® technológián4 alapulóan. A BrainPort látóeszköz vakok számára készült vizuális protézis.

Számos korábbi tanulmány támogatja a nyelv szenzoros helyettesítő csatornaként való használatát2,3,5-8. A mi és mások kutatásai feltárták, hogy az agy helyesen tudja értelmezni az érzékszervi helyettesítő eszközből származó információkat, még akkor is, ha az információ nem ugyanazon az úton jelenik meg, mint a természetes érzékszervi rendszer. Például a szem által ténylegesen kapott optikai kép nem halad tovább, mint a retina, amely a képet a látóidegrostok mentén az akciós potenciálok tér-időbeli mintázatává alakítja. Ezen impulzusminták elemzésével az agy újrateremti a képet. Ezek az impulzusok nem egyediek a látás számára. Valójában az összes szenzoros rendszer ugyanazt a „nyelvet” kódolja: a neuronális akciós potenciálokat. A látási példát paradigmaként használva az érzékszervi helyettesítés csak azt követeli meg, hogy az akciós potenciálok pontosan bekerüljenek az alternatív szenzoros információs csatornába. A tréning során az agy megtanulhatja, hogy megfelelően értelmezze az alternatív csatornából származó információkat, majd úgy dolgozza fel ezeket az információkat, mint az érintetlen természetes érzékből származó adatokat. Ezért ez a technológia a felhasználók javát szolgálja azáltal, hogy a nyelvet a környezetükről hasznos információkkal serkenti, amelyekről egyes felhasználók látásra emlékeztetnek.

Bár a BrainPort technológia az elektródasoron keresztül stimulálja a nyelvet, a stimuláció egyáltalán nem fájdalmas; a BrainPort eszköz impulzusonként csak 11,85 µJ-t bocsát ki (szabályozási határérték a bőrön elektromosan stimuláló eszközökre: 300 mJ). Valójában a felhasználók gyakran úgy számolnak be az érzésről, mintha pezsgőbuborékok pezsegnének a nyelvükön. Azok a résztvevők, akik BrainPort eszközöket használnak, akár néhány héten keresztül naponta több órát, akár napi 20 percet akár egy éven keresztül, nem számoltak be kellemetlen érzésről.

Kevés munka történt a képalkotás használatával vak gyermekek tanulmányozására. Werth és Seelos fMRI-t használtak a gyermekek látókérgében kiváltott aktivitás mérésére, ami a látásfunkció javulásának bizonyítéka volt a terepi edzést követően (Neurpsychologica. 2005. 43(14): 2011). Tudomásunk szerint azonban még nem végeztek vak gyermekek képalkotását a látókéreg plaszticitásának felmérésére ilyen fiatal korban. Rövid távon ezeknek az alanyoknak a képalkotása javíthatja azon betegek kiszűrését, akik számára előnyösek lennének a szenzoros helyettesítő eszközök, valamint a képzési paradigmák értékelését. Hosszú távon a látás hiányából adódó plaszticitás megértése nemcsak az érzékszervi helyettesítés, hanem az összes látás-helyreállítási stratégia szempontjából is fontos lesz, hogy azonosítani lehessen azokat az alanyokat, amelyek még képesek a vizuális input feldolgozására. Miközben a kutatók megpróbálják modellezni a korábbi vizuális tapasztalatok hatását a látókéreg plaszticitására a vakságot követően, a gyerekek a minta egyedülálló és alapvető részét képezik, hogy szétválasztsák a vakság időtartamának és a korai és késői elsajátításának relatív hatásait.

A BrainPort eszközt 2015 júniusa óta hagyta jóvá az FDA.

Jelentőség:

A BrainPort látóeszköz vakok számára készült vizuális protézis. Lehetővé teszi a vizuális információk észlelését a nyelv és a kamerarendszer segítségével, mint a szem páros helyettesítője. A vizuális információkat egy videokamerából gyűjtik össze, és a nyelv felszínén gyengéd elektromos stimulációs mintákká alakítják át. A képzés során a felhasználók érzékelik a környezetükben lévő tárgyak alakját, méretét, elhelyezkedését és mozgását. Ez egy funkcionális, nem sebészeti eszköz, amelyet a látássérültek bemutatására fejlesztettek ki. A BrainPort látóeszköz az egyetlen olyan új technológia, amely a közeljövőben valószínűleg elérhető a vakságból eredő biztonsági és mobilitási problémák megoldására.

Eredményeink azt mutatják, hogy a BrainPort használata viselkedésjavulást, valamint a látókérgi régiók aktivációját eredményezi az fMRI és PET vizsgálatok segítségével felnőtteknél. Az alábbi okok miatt indokolt egy olyan vizsgálat, amely annak megállapítására irányul, hogy a funkcionális képességek is javíthatók-e egy gyermekcsoportban:

1. A neuroplaszticitás gyermekkorban a legmagasabb, és a látásszegény agy valószínűleg ebben a korcsoportban lesz a legfogékonyabb az alternatív szenzoros stimulációra.
2. A BrainPort nem invazív.
3. A Leber-féle veleszületett amaurózis génterápiáján kívül jelenleg nincs más alternatíva a vak gyermekek látásának helyreállítására.
4. A BrainPort már rendelkezik CE-jelöléssel és függőben lévő FDA-jóváhagyással (a végleges biztonsági tanulmány dokumentumait 2013 augusztusában nyújtották be az FDA-nak), és 2014-ig megvásárolhatónak kell lennie, legalább Európában és Kanadában. Fontos klinikai kérdés, hogy az eszköz hasznos lehet-e gyermekpopulációban.
5. A várható haszon és a vizsgálat által bemutatott kockázat viszonya legalább olyan kedvező az alanyok számára, mint a rendelkezésre álló alternatív megközelítések (vakképzés) által biztosítottak.