Ripristino e riabilitazione delle informazioni visive tramite tecnologia di sostituzione sensoriale nei bambini

Obbiettivo:

Il nostro obiettivo è determinare se i miglioramenti funzionali osservati nei soggetti non vedenti che utilizzano BrainPort possono essere realizzati in una coorte pediatrica.

Obiettivi specifici:

Lo scopo di questa proposta è valutare una protesi visiva non chirurgica (dispositivo di visione BrainPort) che consenta ai non vedenti di apprezzare l'ambiente circostante e determinare il modo in cui il cervello interpreta le informazioni. Il nostro obiettivo principale è determinare se il dispositivo può essere utilizzato in una popolazione pediatrica misurando il miglioramento dei soggetti rispetto al basale in una delle seguenti aree: rilevamento della luce, localizzazione della luce, percezione del movimento e attività di riconoscimento degli oggetti standardizzate dopo l'uso del BrainPort .

Come secondo obiettivo, i ricercatori utilizzeranno una sessione di scansione RM multimodale per studiare le basi neurofisiologiche della sostituzione sensoriale nei bambini. Sotto questo obiettivo gli investigatori perseguiranno due obiettivi principali. In primo luogo, gli investigatori correleranno i dati comportamentali con i dati di imaging al fine di rilevare le regioni del cervello in cui la struttura e/o la funzione sono associate all'uso riuscito dei dispositivi di sostituzione sensoriale. In secondo luogo, i ricercatori utilizzeranno questi dati insieme ai dati sugli adulti raccolti in precedenza per modellare gli effetti della precedente esperienza visiva sulla plasticità della corteccia visiva dovuta alla cecità.

Sfondo:

Il dispositivo di visione BrainPort è una protesi visiva progettata per coloro che sono non vedenti. Consente la percezione delle informazioni visive utilizzando la lingua e il sistema della fotocamera come sostituto accoppiato dell'occhio. Le informazioni visive vengono raccolte da una videocamera e tradotte in delicati schemi di stimolazione elettrica sulla superficie della lingua. Con l'addestramento, gli utenti percepiscono forma, dimensione, posizione e movimento degli oggetti nel loro ambiente. È un dispositivo funzionale e non chirurgico sviluppato per dimostrare come ausilio per i non vedenti.

I sistemi sensoriali tattili si sono dimostrati in grado di trasportare informazioni al cervello che di solito vengono acquisite visivamente. Il Braille e il lungo bastone hanno fornito tali informazioni ai non vedenti per decenni e negli anni '60 è stato chiaramente dimostrato che gli input tattili potevano fornire l'accesso alla stampa scritta1 e alle immagini visive2. La principale limitazione allo sviluppo della sostituzione pratica della visione è stata l'inadeguatezza delle interfacce cervello-macchina. Trentacinque anni fa Paul Bach-y-Rita, MD scrisse "Il fatto che un sistema di sostituzione sensoriale di successo non sia attualmente in uso potrebbe non essere dovuto alle limitate capacità funzionali del cervello; potrebbe essere dovuto al fatto che un sistema di recettori artificiali non è stato ancora costruito per sfidare le capacità adattative del cervello umano"3.

Dispositivo di visione BrainPort Dal 1998, Wicab si è concentrata sulla ricerca di ingegneria biomedica e sullo sviluppo di dispositivi commerciali basati sulla sua tecnologia proprietaria BrainPort®4. Il dispositivo di visione BrainPort è una protesi visiva progettata per coloro che sono non vedenti.

Numerosi studi precedenti supportano l'utilizzo della lingua come canale di sostituzione sensoriale2,3,5-8. La nostra ricerca e quella di altri hanno rivelato che il cervello può interpretare correttamente le informazioni provenienti da un dispositivo di sostituzione sensoriale, anche quando le informazioni non sono presentate nello stesso percorso del sistema sensoriale naturale. Ad esempio, l'immagine ottica effettivamente ricevuta dall'occhio non va oltre la retina, che converte l'immagine in modelli spazio-temporali di potenziali d'azione lungo le fibre del nervo ottico. Analizzando questi modelli di impulso, il cervello ricrea l'immagine. Questi impulsi non sono unici per la visione. Infatti, tutti i sistemi sensoriali codificano le informazioni utilizzando lo stesso "linguaggio": i potenziali d'azione neuronali. Usando l'esempio della visione come paradigma, la sostituzione sensoriale richiede solo che i potenziali d'azione siano accuratamente trascinati nel canale alternativo delle informazioni sensoriali. Con l'allenamento, il cervello può imparare a interpretare in modo appropriato le informazioni dal canale alternativo e quindi a elaborare tali informazioni proprio come farebbe con i dati dal senso naturale intatto. Pertanto, questa tecnologia avvantaggia gli utenti stimolando la lingua con informazioni utilizzabili sul loro ambiente, che alcuni utenti hanno descritto come simili alla visione.

Sebbene la tecnologia BrainPort stimoli la lingua attraverso l'array di elettrodi, la stimolazione non è affatto dolorosa; un dispositivo BrainPort emette solo 11,85 µJ per impulso (limite normativo per dispositivi di stimolazione elettrica cutanea: 300 mJ). In effetti, gli utenti spesso riferiscono la sensazione come bollicine di champagne effervescenti sulla lingua. I partecipanti che utilizzano i dispositivi BrainPort, sia per diverse ore al giorno nel corso di poche settimane o per 20 minuti al giorno fino a un anno, non segnalano alcun disagio.

Poco lavoro è stato fatto utilizzando l'imaging per studiare i bambini ciechi. Werth e Seelos hanno utilizzato la fMRI per misurare l'attività evocata nella corteccia visiva dei bambini come prova del miglioramento della funzione visiva dopo l'allenamento sul campo (Neurpsychologica. 2005. 43(14): 2011). Tuttavia, a nostra conoscenza, l'imaging di bambini ciechi per valutare la plasticità della corteccia visiva in così giovane età non è stato fatto. A breve termine, l'imaging di questi soggetti può migliorare la nostra capacità di selezionare i pazienti che trarrebbero beneficio dai dispositivi di sostituzione sensoriale e di valutare i paradigmi di allenamento. A lungo termine, la comprensione della plasticità dovuta alla deprivazione visiva sarà importante non solo per la sostituzione sensoriale, ma per tutte le strategie di ripristino della vista al fine di identificare i soggetti ancora in grado di elaborare l'input visivo. Mentre i ricercatori tentano di modellare gli effetti della precedente esperienza visiva sulla plasticità nella corteccia visiva dopo la cecità, i bambini rappresentano una parte unica ed essenziale del campione per separare gli effetti relativi della durata della cecità e dell'acquisizione precoce rispetto a quella tardiva.

Il dispositivo BrainPort è stato approvato dalla FDA dal giugno del 2015.

Significato:

Il dispositivo di visione BrainPort è una protesi visiva progettata per coloro che sono non vedenti. Consente la percezione delle informazioni visive utilizzando la lingua e il sistema della fotocamera come sostituto accoppiato dell'occhio. Le informazioni visive vengono raccolte da una videocamera e tradotte in delicati schemi di stimolazione elettrica sulla superficie della lingua. Con la formazione gli utenti percepiscono forma, dimensione, posizione e movimento degli oggetti nel loro ambiente. È un dispositivo funzionale e non chirurgico sviluppato per dimostrare come ausilio per i non vedenti. Il dispositivo di visione BrainPort è l'unica nuova tecnologia probabilmente disponibile a breve termine per affrontare i problemi di sicurezza e mobilità derivanti dalla cecità.

I nostri risultati hanno dimostrato che l'uso di BrainPort si traduce in miglioramenti comportamentali e nell'attivazione nelle regioni corticali visive utilizzando scansioni fMRI e PET negli adulti. Uno studio che cerca di determinare se le capacità funzionali possono essere migliorate anche in una coorte pediatrica è giustificabile per i seguenti motivi:

1. La neuroplasticità è massima durante l'infanzia e il cervello ipovedente è probabilmente più ricettivo alla stimolazione sensoriale alternativa in questa fascia di età.
2. Il BrainPort non è invasivo.
3. A parte la terapia genica per l'amaurosi congenita di Leber, al momento non ci sono alternative al ripristino della vista per i bambini ciechi.
4. Il BrainPort ha già l'approvazione del marchio CE e l'approvazione della FDA in attesa (documenti finali dello studio sulla sicurezza presentati alla FDA nell'agosto 2013) e dovrebbe essere disponibile per l'acquisto entro il 2014, almeno in Europa e Canada. Se il dispositivo possa essere utile in una popolazione pediatrica è un'importante questione clinica.
5. La relazione tra il beneficio atteso e il rischio presentato dallo studio è almeno altrettanto favorevole per i soggetti quanto quella fornita dagli approcci alternativi disponibili (addestramento alla cieca).