Argus II ユーザーの知覚体験

網膜色素変性症や黄斑変性症などの網膜ジストロフィーは、世界中で 1,000 万人以上の人々に深刻な視覚障害をもたらします。 治療技術の 1 つである視覚神経人工装具は、人工内耳に類似した、網膜または初期視覚野の生き残った細胞を電気的に刺激することによって視力を回復することを目的としています。 2 つのデバイスは商用利用が承認されており、他のデバイスは数年以内に臨床試験を開始する予定です。 ただし、現在のデバイスは、インプラントの電子機器とその根底にある神経生理学との間の相互作用による実質的な知覚の歪みに苦しんでいます。 ここで研究者は、人間の心理物理学、計算モデリング、バーチャル リアリティ (VR)、機械学習 (ML) を組み合わせて、知覚の歪みを軽減し、それによって神経人工装具の有効性を向上させる視覚人工装具患者向けの新しい刺激プロトコルを開発および検証します。

目的 1: 精神物理学的に検証された閃光モデルを使用して刺激プロトコルを最適化する。

人工装具メーカーが現在使用している単純なシミュレーション プロトコルでは、臨床試験で報告された知覚の歪みが考慮されていません。 対照的に、心理物理学的データに基づく計算モデルは、Argus II (Second Sight) ユーザーの知覚の歪みをより適切に予測できる可能性があります。

1. 研究者は、単一、ペア、および複数の電極の任意の組み合わせを刺激することにより、計算モデルを精神物理学的に検証します。 このモデルは Argus II の患者でテストされ、そのパフォーマンスは、モデルによって生成された知覚を表示する「仮想患者」の視力を持つ被験者のパフォーマンスと比較されます。
2. 研究者は、モデルによって生成されたトレーニング セットを使用して、ディープ ニューラル ネットワークをトレーニングし、モデルの近似逆変換を学習します。これを使用して、方向付けられた格子と移動バーの知覚歪みを最小限に抑える刺激プロトコルを特定できます。 研究者は、これが Argus II と仮想患者の方向識別と運動方向識別タスクのパフォーマンスを向上させるかどうかをテストします。

目的 2: 刺激プロトコルをさらに最適化できる電気生理学的データを組み込むことにより、改良されたモデルを開発すること。

目標 1 で開発されたモデルは、心理物理学的データに基づいていました。 ただし、上記の歪みは in vitro でも観察されています。 この目的で、研究者は、時空間神経ダイナミクスが人工装具の有効性にどのように影響するかを研究するための改良されたモデルを開発します。 これにより、最適化されたプロトコルを検索するための検索スペースが拡張されます。 調査員は次のことを行います。

1. 文献から重要な生理学的観察結果を上記のモデルに段階的に組み込みます。 各ステップの後、精神物理学的データを予測するモデルの能力に対するこれらの変更の影響が測定されます。
2. ディープ ニューラル ネットワークを使用して、このより複雑な改善されたモデルのおおよその逆変換を学習し、向きの識別と動きの方向の識別タスクで Argus II と仮想患者のパフォーマンスが向上するかどうかをテストします。

目的 3: VR 内の「仮想患者」にコンピューター ビジョンを適用することにより、新しい刺激プロトコルを開発する。

研究者は、Aim 2 で開発されたモデルを VR に埋め込み、「VR 仮想患者」を生成して、視覚的に典型的な個人を使用して新しい刺激プロトコルを迅速かつ効率的にテストします。 優れた VR パフォーマンスをもたらすプロトコルは、実際の義肢患者で検証されます。 調査員は次のことを行います。

1. VR 仮想患者を使用して、2 点識別タスクで Argus II ユーザーの系統誤差を予測します。
2. VR の視線条件付きディスプレイを使用して、行動パフォーマンスに対する眼球運動の影響を評価します。
3. VR での物体認識タスクの行動指標を測定することにより、エッジ強調、リターゲット、デクラッタリングなどのコンピューター ビジョン前処理方法の可能性を評価して、視覚を改善します。 最も有望な技術は、Argus II 患者でテストされます。

これらの実験は、人工網膜患者の知覚経験を定量化し、行動データを収集するための標準的な手順に従うように設計されています。 患者のパフォーマンスは、プロテーゼ患者の予想される知覚経験に一致するように操作された刺激を表示する正常に見える対照被験者のパフォーマンスと比較されます。

研究者は、電極を直接刺激する (FDA 承認のパルス列を使用) か、コンピューターまたはプロジェクターの画面を見るように患者に依頼し、標準的な FDA 承認の刺激プロトコル (彼らのデバイスで標準的に使用されている) を使用して、患者の視覚を生成します。コンピューターまたはプロジェクターの画面イメージを電極上のパルス列に変換します。 すべての刺激プロトコルは FDA 承認済みです。 制御対象は、コンピューター モニターまたは仮想現実 (VR) システムを介して刺激を表示します。 場合によっては、正常な視力を持つ被験者を制御するために提示される刺激は、義肢を持つ被験者の知覚経験に一致するように歪められます。

刺激の通常の方法は、ビデオ画像を FDA 承認の電子パルス列に変換するビデオ プロセッシング ユニット (VPU) を介して、眼鏡に取り付けられたカメラからのチェーンです。

カメラを使って被験者をテストすることもあります。 多くの場合、研究者は、外部コンピューターを使用してパルス列を直接指定することにより、「直接刺激」を実行します (たとえば、1 秒 10 Hz 陰極パルス列、電流振幅 100 マイクロアンペア、パルス幅 45 マイクロ秒で電極 12 へ)。 . これらのダイレクト パルス列は、VPU に送信されます。

この VPU には、これらのパルス列が FDA 承認の安全限界内にあることを確認するソフトウェアが含まれています。 たとえば、これらのパルスは、電荷のバランスが取れている (アノード/カソード電荷が等しい) 必要があり、電荷密度が 35 マイクロクーロン/cm2 未満である必要があります。 カメラを使って被験者をテストすることもあります。 研究者は、パルス列を直接指定することで、パルスを VPU に直接送信することがあります (例: Second Sight の FDA 承認ソフトウェア スイート (Clinical Fitting System を含む) を介して、電流振幅 100 マイクロアンペア、パルス幅 45 マイクロアンペアの 1 秒 10 Hz 陰極パルス列を電極に送信します 12)。 ソフトウェアには、これらのパルス列が FDA の制限内に収まるようにするための 2 つの段階があります。(1) ソフトウェア スイート内のすべてのアプリは、チェックを実行して「正常にエラー」を起こす FDA 承認のアプリケーション プログラミング インターフェイス (API) に基づいています。指定されたパルス列が許容範囲外の場合、(2) VPU のファームウェアは、FDA 承認のパルスのみを配信するようにプログラムされています。

パルス列の周波数とパルス列の電流振幅は、実際には重要な安全上の問題ではありません。これは、電子/神経インターフェースが非常に高い刺激率と高電流レベルに対して堅牢であるためです。

ただし、高周波パルス列または高振幅パルス列は、大規模な神経細胞の発火を誘発するため、患者に不快感を与える可能性があります (暗い映画館から日光に出るのと同様)。 研究者は通常、患者がデバイスを使用する際に使用する通常の範囲内にあるパルス列の周波数/振幅に注目します。

研究者が、より強い神経反応を生成すると予想される (したがって、不快感を引き起こす可能性がある) パラメータを使用する場合、それらは常に段階的な関数で導入されます (例: 感覚が「不快なほど明るい」ものではないことを確認しながら、振幅を徐々に増加させます。患者が感覚が不快感に近づいていると報告した場合、刺激の強度を直ちに減少させます。 PI はこのアプローチの経験があり、これらのプロトコルについてすべての担当者をトレーニングします。

モニター上の刺激/画像に応じて、被験者は行動判断を求められます。 例としては、刺激の検出 (「その試行で光を見ましたか」)、タッチ スクリーンに描画することによるサイズの報告、類似した形状の触覚オブジェクトの選択による形状の報告、提示された文字の識別などがあります。 調査官は、行動データを収集するための標準的なプロトコルを使用します。 患者は、刺激について報告する手段として、口頭による報告を使用するか、タッチスクリーンに図形を描くか、コンピューターに接続されたキーボードまたはキーパッドを使用します。 患者の反応と反応時間の両方が記録されます。

これらの刺激はどれも、感情的な反応を誘発したり、嫌悪したりすることはありません.

場合によっては、研究者は被験者の目の位置を測定するデータも収集します。 これは、被験者の瞳孔の位置を追跡する赤外線カメラを介して標準的なアイトラッキング装置を使用して実行される非侵襲的な手順です。 目の位置やまばたきなどの測定値のみが記録されるため、これらのデータには識別可能な情報は含まれません。

患者は、コンピューター モニターまたはビデオ プロジェクターを使用して画像が投影されるバック プロジェクション スクリーンから約 100 cm 離れた快適な椅子に座ります。 頭が動かないように、患者のあごをあご台に載せます。 聴覚刺激は、試行/応答期間の開始を合図するために使用できます。 これらの聴覚キューは、快適なラウドネス レベルになります。

患者は必要に応じて休憩を取ることが推奨されます (患者は検査室を離れる場合があります)。 調査員は、次のようなさまざまな実験手法を使用します。 被験者は 2 つの知覚を見せられ、それらが同じか異なるかを尋ねられます。 (2) 調整方法 - 例 被験者は、知覚がかろうじて見えるようになるまでディスプレイ/刺激強度を調整するよう求められます。 患者に 2 つの刺激を提示し、2 つの刺激のどちらがより明るいかを尋ねます (4) 識別 - 患者は、どちらの文字が提示されたかを識別するよう求められます。

場合によっては、正確さを測定するだけでなく、研究者は複数のセッション (最大 5 つのセッション、それぞれ異なるテスト日に実施) で同じタスクを繰り返すことにより、練習による改善も測定します。