아동의 감각대체기술을 통한 시각정보 복원 및 재활

목적:

우리의 목표는 BrainPort를 사용하여 맹인 피험자에게서 보이는 기능적 개선이 소아 코호트에서 실현될 수 있는지 확인하는 것입니다.

특정 목표:

이 제안의 목적은 시각 장애인이 주변 환경을 인식하고 뇌가 정보를 해석하는 방식을 결정할 수 있게 해주는 비수술적 시각 보철물(BrainPort 시각 장치)을 평가하는 것입니다. 우리의 주요 목표는 BrainPort 사용 후 빛 감지, 빛 위치 파악, 움직임 인식 및 표준화된 물체 인식 작업과 같은 영역에서 기준선에 비해 피험자의 개선을 측정하여 장치를 소아 인구에서 사용할 수 있는지 확인하는 것입니다. .

두 번째 목표로 조사관은 어린이의 감각 대체의 신경생리학적 기초를 연구하기 위해 다중 모드 MR 스캐닝 세션을 사용할 것입니다. 이 목표에 따라 조사관은 두 가지 주요 목표를 추구할 것입니다. 첫째, 조사관은 구조 및/또는 기능이 감각 대체 장치의 성공적인 사용과 관련된 뇌의 영역을 감지하기 위해 행동 데이터를 이미징 데이터와 연관시킬 것입니다. 둘째, 조사관은 실명으로 인한 시각 피질 가소성에 대한 이전 시각 경험의 영향을 모델링하기 위해 이전에 수집된 성인 데이터와 함께 이러한 데이터를 활용할 것입니다.

배경:

BrainPort 비전 장치는 시각 장애인을 위해 설계된 시각 보철물입니다. 눈 대신 혀와 카메라 시스템을 쌍으로 사용하여 시각 정보를 인식할 수 있습니다. 비디오 카메라에서 시각 정보를 수집하고 혀 표면의 부드러운 전기 자극 패턴으로 변환합니다. 훈련을 통해 사용자는 환경에 있는 물체의 모양, 크기, 위치 및 동작을 인식합니다. 시각장애인의 실증보조를 위해 개발된 기능성 비수술기기입니다.

촉각 감각 시스템은 일반적으로 시각적으로 획득되는 정보를 뇌로 전달할 수 있음이 입증되었습니다. 점자와 긴 지팡이는 수십 년 동안 맹인에게 그러한 정보를 제공했으며 1960년대에는 촉각 입력이 글로 된 인쇄물1과 시각적 이미지2에 대한 액세스를 제공할 수 있다는 것이 명확하게 입증되었습니다. 실용적인 비전 대체 개발의 주요 제한 사항은 뇌-기계 인터페이스의 부적절함이었습니다. 35년 전 Paul Bach-y-Rita, MD는 "성공적인 감각 대체 시스템이 현재 사용되고 있지 않다는 것은 뇌의 제한된 기능적 능력 때문이 아닐 수 있습니다. 아직 인간 두뇌의 적응 능력에 도전하도록 구성되지 않았습니다."3.

BrainPort 비전 장치 1998년부터 Wicab은 독점 BrainPort® 기술4을 기반으로 하는 상용 장치의 생의학 연구 및 개발에 주력해 왔습니다. BrainPort 비전 장치는 시각 장애인을 위해 설계된 시각 보철물입니다.

수많은 이전 연구는 혀를 감각 대체 채널2,3,5-8로 사용하는 것을 지원합니다. 우리와 다른 사람들의 연구는 정보가 자연 감각 시스템과 동일한 경로에 제시되지 않는 경우에도 뇌가 감각 대체 장치에서 정보를 올바르게 해석할 수 있음을 밝혔습니다. 예를 들어, 눈에 실제로 수신된 광학 이미지는 망막보다 더 멀리 이동하지 않으며, 망막은 이미지를 시신경 섬유를 따라 활동 전위의 시공간적 패턴으로 변환합니다. 이러한 임펄스 패턴을 분석함으로써 뇌는 이미지를 재창조합니다. 이러한 충동은 시각에 고유하지 않습니다. 사실, 모든 감각 시스템은 동일한 '언어'인 신경 활동 전위를 사용하여 정보를 암호화합니다. 비전 예제를 패러다임으로 사용하면 감각 대체는 활동 전위가 대체 감각 정보 채널에 정확하게 동반되는 것만을 요구합니다. 훈련을 통해 두뇌는 대체 채널의 정보를 적절하게 해석한 다음 온전한 자연 감각에서 데이터를 처리하는 것처럼 해당 정보를 처리하는 방법을 배울 수 있습니다. 따라서 이 기술은 일부 사용자가 시각과 유사하다고 설명하는 환경에 대한 유용한 정보로 혀를 자극함으로써 사용자에게 이점을 제공합니다.

BrainPort 기술은 전극 배열을 통해 혀를 자극하지만 자극은 전혀 고통스럽지 않습니다. BrainPort 장치는 펄스당 11.85µJ만 방출합니다(피부 전기 자극 장치에 대한 규제 제한: 300mJ). 사실, 사용자들은 종종 혀에서 거품이 이는 샴페인 거품과 같은 감각을 보고합니다. 몇 주 동안 매일 몇 시간 동안 또는 최대 1년 동안 하루 20분 동안 BrainPort 장치를 사용하는 참가자는 불편함을 보고하지 않습니다.

시각 장애인을 연구하기 위해 이미징을 사용하는 작업은 거의 수행되지 않았습니다. Werth와 Seelos는 fMRI를 사용하여 현장 훈련 후 시각 기능 개선의 증거로 아동의 시각 피질에서 유발 활동을 측정했습니다(Neurpsychologica. 2005. 43(14): 2011). 그러나 우리가 아는 한, 어린 나이에 시각 피질의 가소성을 평가하기 위한 맹인 어린이의 영상 촬영은 수행되지 않았습니다. 단기적으로 이러한 주제의 이미징은 훈련 패러다임을 평가할 뿐만 아니라 감각 대체 장치의 혜택을 받을 환자를 선별하는 능력을 향상시킬 수 있습니다. 장기적으로 시각 박탈로 인한 가소성을 이해하는 것은 감각 대체뿐만 아니라 시각적 입력을 처리할 수 있는 대상을 식별하기 위한 모든 시력 복원 전략에 중요할 것입니다. 조사관이 실명 후 시각 피질의 가소성에 대한 이전 시각 경험의 영향을 모델링하려고 시도함에 따라 어린이는 실명 기간과 조기 대 후기 획득의 상대적인 영향을 구분하기 위해 샘플의 독특하고 필수적인 부분을 나타냅니다.

BrainPort 장치는 2015년 6월부터 FDA의 승인을 받았습니다.

중요성:

BrainPort 비전 장치는 시각 장애인을 위해 설계된 시각 보철물입니다. 눈 대신 혀와 카메라 시스템을 쌍으로 사용하여 시각 정보를 인식할 수 있습니다. 비디오 카메라에서 시각 정보를 수집하고 혀 표면의 부드러운 전기 자극 패턴으로 변환합니다. 교육을 통해 사용자는 환경에서 물체의 모양, 크기, 위치 및 동작을 인식합니다. 시각장애인의 실증보조를 위해 개발된 기능성 비수술기기입니다. BrainPort 비전 장치는 실명으로 인한 안전 및 이동성 문제를 해결하기 위해 단기적으로 사용할 수 있는 유일한 신기술입니다.

우리의 결과는 BrainPort를 사용하면 성인의 fMRI 및 PET 스캔을 사용하여 시각 피질 영역의 활성화뿐만 아니라 행동 개선을 초래한다는 것을 보여주었습니다. 기능적 능력이 소아 코호트에서도 개선될 수 있는지를 결정하기 위한 임상시험은 다음과 같은 이유로 정당합니다.

1. 신경가소성은 어린 시절에 가장 높으며 시각이 부족한 뇌는 이 연령대에서 대체 감각 자극을 가장 잘 받아들일 가능성이 높습니다.
2. BrainPort는 비침습적입니다.
3. 레버의 선천성 아마우로증에 대한 유전자 치료 외에는 현재 맹인 어린이를 위한 시력 회복에 대한 대안이 없습니다.
4. BrainPort는 이미 CE 마크 승인을 받았으며 FDA 승인(2013년 8월 FDA에 제출된 최종 안전 연구 문서)을 보유하고 있으며 적어도 유럽과 캐나다에서는 2014년까지 구매할 수 있어야 합니다. 장치가 소아 집단에서 유용할 수 있는지 여부는 중요한 임상 질문입니다.
5. 연구에 의해 제시된 위험에 대한 예상 이익의 관계는 적어도 이용 가능한 대안 접근법(맹검 훈련)에 의해 제공되는 것만큼 피험자에게 유리합니다.