L'esperienza percettiva degli utenti di Argus II

Le distrofie retiniche come la retinite pigmentosa e la degenerazione maculare provocano una profonda compromissione della vista in più di 10 milioni di persone in tutto il mondo. Una tecnologia di trattamento, le neuroprotesi visive, mira a ripristinare la vista stimolando elettricamente le cellule sopravvissute nella retina o nella corteccia visiva precoce, analogamente agli impianti cocleari. Due dispositivi sono stati approvati per l'uso commerciale, mentre altri dovrebbero iniziare le sperimentazioni cliniche entro pochi anni. Tuttavia, i dispositivi attuali soffrono di sostanziali distorsioni percettive dovute alle interazioni tra l'elettronica dell'impianto e la neurofisiologia sottostante. Qui i ricercatori combineranno la psicofisica umana, la modellazione computazionale, la realtà virtuale (VR) e l'apprendimento automatico (ML) per sviluppare e convalidare nuovi protocolli di stimolazione per i pazienti con protesi visive che riducono le distorsioni percettive e quindi migliorano l'efficacia delle neuroprotesi.

Obiettivo 1: ottimizzare i protocolli di stimolazione utilizzando un modello di fosfene validato psicofisicamente.

I semplicistici protocolli di simulazione attualmente utilizzati dai produttori di dispositivi protesici non tengono conto delle distorsioni percettive riportate negli studi clinici. Al contrario, un modello computazionale basato su dati psicofisici può prevedere meglio le distorsioni percettive degli utenti di Argus II (Second Sight).

1. Gli investigatori convalideranno psicofisicamente il modello computazionale stimolando combinazioni arbitrarie di elettrodi singoli, accoppiati e multipli. Il modello sarà testato su pazienti con Argus II e le loro prestazioni saranno confrontate con quelle di soggetti vedenti "pazienti virtuali" che osservano le percezioni generate dal modello.
2. Utilizzando i set di addestramento generati dal modello, i ricercatori addestreranno una rete neurale profonda per apprendere una trasformazione inversa approssimativa del modello che può essere utilizzata per identificare il protocollo di stimolazione che riduce al minimo le distorsioni percettive per reticoli orientati e barre mobili. Gli investigatori verificheranno quindi se ciò migliora le prestazioni di Argus II e dei pazienti virtuali in un compito di discriminazione dell'orientamento e identificazione della direzione del movimento.

Obiettivo 2: sviluppare un modello migliorato incorporando dati elettrofisiologici che possano ottimizzare ulteriormente i protocolli di stimolazione.

Il modello sviluppato nell'Obiettivo 1 era basato su dati psicofisici. Tuttavia, le distorsioni sopra descritte sono state osservate anche in vitro. A questo scopo, i ricercatori svilupperanno un modello migliorato per studiare in che modo le dinamiche neuronali spaziotemporali influiscono sull'efficacia protesica. Ciò amplierà lo spazio di ricerca all'interno del quale cercare protocolli ottimizzati. Gli investigatori:

1. Incorporare le principali osservazioni fisiologiche della letteratura nel modello sopra descritto in modo graduale. Dopo ogni passaggio, verrà misurato l'effetto di queste alterazioni sulla capacità del modello di prevedere i dati psicofisici.
2. Utilizzare una rete neurale profonda per apprendere una trasformazione inversa approssimativa di questo modello migliorato più complesso e verificare se ciò migliora le prestazioni di Argus II e dei pazienti virtuali in un'attività di discriminazione dell'orientamento e identificazione della direzione del movimento.

Obiettivo 3: sviluppare nuovi protocolli di stimolazione applicando la visione artificiale a "pazienti virtuali" in VR.

I ricercatori integreranno il modello sviluppato nell'obiettivo 2 in VR per generare "pazienti virtuali VR" per testare in modo rapido ed efficiente nuovi protocolli di stimolazione utilizzando individui visivamente tipici. I protocolli che si traducono in buone prestazioni VR saranno convalidati in pazienti con protesi reali. Gli investigatori:

1. Usa i pazienti virtuali VR per prevedere gli errori sistematici degli utenti di Argus II in un'attività di discriminazione a due punti.
2. Valuta l'impatto dei movimenti oculari sulle prestazioni comportamentali utilizzando una visualizzazione contingente dello sguardo in VR.
3. Valuta il potenziale dei metodi di pre-elaborazione della visione artificiale come il miglioramento dei bordi, il retargeting e il decluttering per migliorare la visione misurando le metriche comportamentali su un'attività di riconoscimento di oggetti in VR. Le tecniche più promettenti saranno testate nei pazienti con Argus II.

Questi esperimenti sono progettati per quantificare le esperienze percettive dei pazienti con protesi retiniche e seguire procedure standard per la raccolta di dati comportamentali. Le prestazioni nei pazienti saranno confrontate con le prestazioni nei soggetti di controllo normalmente vedenti che visualizzano stimoli manipolati per corrispondere all'esperienza percettiva attesa dei pazienti con protesi.

Gli investigatori produrranno percezioni visive nei pazienti stimolando direttamente elettrodi (utilizzando treni di impulsi approvati dalla FDA) o chiedendo loro di visualizzare uno schermo di computer o proiettore e utilizzando protocolli di stimolazione standard approvati dalla FDA (come viene normalmente utilizzato per i loro dispositivi) per convertire il l'immagine sullo schermo del computer o del proiettore in treni di impulsi sui loro elettrodi. Tutti i protocolli di stimolazione saranno approvati dalla FDA. I soggetti di controllo visualizzeranno gli stimoli sul monitor di un computer o attraverso un sistema di realtà virtuale (VR). In alcuni casi, gli stimoli presentati ai soggetti di controllo con visione normale saranno distorti in modo da corrispondere all'esperienza percettiva dei soggetti con protesi.

Il normale metodo di stimolazione è una catena da una telecamera montata su occhiali attraverso un'unità di elaborazione video (VPU) che converte l'immagine video in treni di impulsi elettronici approvati dalla FDA.

A volte i soggetti verranno testati utilizzando la fotocamera. Più spesso, gli investigatori eseguiranno la "stimolazione diretta" utilizzando un computer esterno per specificare direttamente i treni di impulsi (ad esempio un treno di impulsi catodici da 1s 10 Hz, con un'ampiezza di corrente di 100 microAmp e una larghezza di impulso di 45 microsecondi all'elettrodo 12) . Questi treni di impulsi diretti vengono quindi inviati alla VPU.

Questa VPU contiene un software che garantisce che questi treni di impulsi rientrino nei limiti di sicurezza approvati dalla FDA. Ad esempio, questi impulsi devono essere a carica bilanciata (uguale carica anodica/catodica) e devono avere una densità di carica inferiore a 35 microCoulomb/cm2. A volte i soggetti verranno testati utilizzando la fotocamera. A volte gli investigatori invieranno direttamente impulsi alla VPU specificando direttamente treni di impulsi (ad es. inviare un treno di impulsi catodici da 1 s a 10 Hz, con un'ampiezza di corrente di 100 microAmp e un'ampiezza di impulso di 45 microAmp all'elettrodo 12) tramite la suite software approvata dalla FDA di Second Sight (incluso il loro sistema di adattamento clinico). Ci sono due fasi nel software che assicurano che questi treni di impulsi debbano rimanere entro i limiti della FDA: (1) ogni app nella suite software si basa su un'interfaccia di programmazione dell'applicazione (API) approvata dalla FDA che esegue i controlli e "correttamente in errore" se i treni di impulsi specificati sono al di fuori dei limiti accettabili, (2) il firmware della VPU è programmato per fornire solo impulsi approvati dalla FDA.

La frequenza del treno di impulsi e l'ampiezza della corrente del treno di impulsi non è in realtà un problema critico per la sicurezza, poiché l'interfaccia elettronica/neurale è robusta a tassi di stimolazione estremamente elevati e livelli di corrente elevati.

Tuttavia, treni di impulsi ad alta frequenza o treni di impulsi ad alta ampiezza possono produrre disagio nei pazienti (analogo al passaggio da un cinema buio alla luce del sole) a causa dell'induzione di un'attivazione neuronale su larga scala. Gli investigatori normalmente si concentreranno su frequenze / ampiezze del treno di impulsi che rientrano nell'intervallo normale utilizzato dal paziente quando utilizza il proprio dispositivo.

Se gli investigatori utilizzano parametri che potrebbero produrre una risposta neurale più intensa (e quindi hanno il potenziale per causare disagio), li introdurranno sempre in una funzione graduale (ad es. aumentando gradualmente l'ampiezza) controllando che la sensazione non sia "sgradevolmente luminosa" e ridurranno immediatamente l'intensità della stimolazione se i pazienti riferiscono che la sensazione si avvicina al disagio. Il PI ha esperienza in questo approccio e formerà tutto il personale su questi protocolli.

In risposta alla stimolazione/immagine sul monitor, ai soggetti verrà chiesto di formulare giudizi comportamentali. Gli esempi includono il rilevamento di uno stimolo ("hai visto una luce su quella prova"), la segnalazione delle dimensioni disegnando su un touch screen, la segnalazione della forma selezionando un oggetto tattile di forma simile o l'identificazione di quale lettera è stata presentata. Gli investigatori utilizzeranno protocolli standard per la raccolta di dati comportamentali. Il paziente utilizzerà il rapporto verbale, disegnerà forme su uno schermo tattile o utilizzerà la tastiera o il tastierino collegato a un computer come mezzo per riferire sugli stimoli. Verranno registrati sia la risposta del paziente che il tempo di reazione.

Nessuno di questi stimoli susciterà risposte emotive o sarà in alcun modo avverso.

In alcuni casi, gli investigatori raccoglieranno anche dati che misurano la posizione degli occhi dei soggetti. Si tratta di una procedura non invasiva che verrà eseguita utilizzando apparecchiature standard di tracciamento oculare tramite una telecamera a infrarossi che traccia la posizione della pupilla dei soggetti. Verranno registrate solo misurazioni come la posizione degli occhi o il battito degli occhi, quindi questi dati non contengono informazioni identificabili.

I pazienti siederanno su una sedia comoda a circa 100 cm dal monitor di un computer o da uno schermo di retroproiezione su cui viene proiettata un'immagine utilizzando un videoproiettore. Il mento del paziente poggerà su una mentoniera in modo da impedire i movimenti della testa. Gli stimoli uditivi possono essere utilizzati per indicare l'inizio del periodo di prova/risposta. Questi segnali uditivi saranno a livelli di volume confortevoli.

I pazienti sono incoraggiati a fare delle pause tutte le volte che è necessario (possono lasciare la sala del test). Gli investigatori utilizzeranno varie tecniche sperimentali tra cui: (1) Uguale-diverso - ad es. ai soggetti vengono mostrati due percetti e viene chiesto se sono uguali o diversi. (2) Metodo di adeguamento - ad es. ai soggetti viene chiesto di regolare un'intensità di visualizzazione/stimolazione fino a quando una percezione è appena visibile, (3) 2-alternativa-scelta forzata - ad es. ai pazienti verranno presentati due stimoli e verrà chiesto quale dei due stimoli è più luminoso (4) Identificazione: ai pazienti viene chiesto di identificare quale lettera è stata presentata.

In alcuni casi, oltre a misurare l'accuratezza, gli investigatori misureranno anche il miglioramento con la pratica ripetendo lo stesso compito in più sessioni (fino a 5 sessioni, ciascuna svolta in diversi giorni di test).