Visuell informasjon restaurering og rehabilitering via sensorisk substitusjonsteknologi hos barn

Objektiv:

Vårt mål er å finne ut om de funksjonelle forbedringene sett hos blinde personer som bruker BrainPort kan realiseres i en pediatrisk kohort.

Spesifikke mål:

Målet med dette forslaget er å evaluere en ikke-kirurgisk visuell protese (BrainPort vision device) som gjør det mulig for blinde å sette pris på sine umiddelbare omgivelser og bestemme måten hjernen tolker informasjonen på. Vårt hovedmål er å finne ut om enheten kan brukes i en pediatrisk populasjon ved å måle forsøkspersonenes forbedring over baseline på noen av følgende områder: lysdeteksjon, lyslokalisering, bevegelsesoppfatning og standardiserte objektgjenkjenningsoppgaver etter bruk av BrainPort .

Som et andre mål vil etterforskerne bruke en multimodal MR-skanning for å studere det nevrofysiologiske grunnlaget for sensorisk substitusjon hos barn. Under dette målet vil etterforskerne forfølge to hovedmål. Først vil etterforskerne korrelere atferdsdataene med bildedataene for å oppdage områder av hjernen der struktur og/eller funksjon er assosiert med vellykket bruk av sensoriske substitusjonsenheter. For det andre vil etterforskerne bruke disse dataene sammen med tidligere innsamlede voksendata for å modellere effektene av tidligere visuell erfaring på visuell cortex-plastisitet på grunn av blindhet.

Bakgrunn:

BrainPort vision-enheten er en visuell protese designet for de som er blinde. Det muliggjør oppfatning av visuell informasjon ved å bruke tungen og kamerasystemet som en paret erstatning for øyet. Visuell informasjon samles inn fra et videokamera og oversettes til milde elektriske stimuleringsmønstre på overflaten av tungen. Med trening oppfatter brukere form, størrelse, plassering og bevegelse av objekter i miljøet. Det er et funksjonelt, ikke-kirurgisk utstyr utviklet for å demonstrere som et hjelpemiddel for synshemmede.

Taktile sensoriske systemer har vist seg i stand til å frakte informasjon til hjernen som vanligvis erverves visuelt. Punktskrift og den lange stokken har gitt slik informasjon til blinde i flere tiår, og på 1960-tallet ble det tydelig demonstrert at taktile inndata kunne gi tilgang til skriftlige trykk1 og visuelle bilder2. Hovedbegrensningen for utviklingen av praktisk synsubstitusjon har vært mangelen på hjerne-maskin-grensesnitt. For trettifem år siden skrev Paul Bach-y-Rita, MD "At et vellykket sensorisk substitusjonssystem ikke er i bruk for øyeblikket skyldes kanskje ikke begrensede funksjonelle evner i hjernen; det kan være på grunn av det faktum at et kunstig reseptorsystem har ennå ikke blitt konstruert for å utfordre den menneskelige hjernens adaptive kapasitet"3.

BrainPort Vision Device Siden 1998 har Wicab fokusert på biomedisinsk ingeniørforskning og utvikling av kommersielle enheter basert på sin proprietære BrainPort®-teknologi4. BrainPort vision-enheten er en visuell protese designet for de som er blinde.

Tallrike tidligere studier støtter bruk av tungen som en sensorisk substitusjonskanal2,3,5-8. Vår og andres forskning har avdekket at hjernen kan tolke informasjon korrekt fra en sensorisk substitusjonsenhet, selv når informasjonen ikke presenteres i samme bane som det naturlige sansesystemet. For eksempel reiser det optiske bildet som faktisk mottas av øyet ikke lenger enn netthinnen, som konverterer bildet til romlige og tidsmessige mønstre av aksjonspotensialer langs de optiske nervefibrene. Ved å analysere disse impulsmønstrene gjenskaper hjernen bildet. Disse impulsene er ikke unike for syn. Faktisk koder alle sensoriske systemer informasjon ved å bruke det samme 'språket': nevronale handlingspotensialer. Ved å bruke visjonseksemplet som et paradigme, krever sensorisk substitusjon bare at handlingspotensialer er nøyaktig medført i den alternative sensoriske informasjonskanalen. Med trening kan hjernen lære å tolke informasjon på riktig måte fra den alternative kanalen og deretter behandle denne informasjonen på samme måte som data fra den intakte naturlige sansen. Derfor gagner denne teknologien brukerne ved å stimulere tungen med brukbar informasjon om miljøet, som noen brukere har beskrevet som å ligne syn.

Selv om BrainPort-teknologi stimulerer tungen gjennom elektrodegruppen, er stimuleringen ikke smertefull i det hele tatt; en BrainPort-enhet avgir bare 11,85 µJ per puls (regulatorisk grense for kutant elektrisk stimulerende enheter: 300 mJ). Faktisk rapporterer brukere ofte at følelsen er som champagnebobler som bruser på tungen. Deltakere som bruker BrainPort-enheter, enten i flere timer hver dag i løpet av noen uker eller i 20 minutter om dagen i opptil ett år, rapporterer ingen ubehag.

Lite arbeid har blitt gjort ved å bruke bildediagnostikk for å studere blinde barn. Werth og Seelos brukte fMRI for å måle fremkalt aktivitet i den visuelle cortex hos barn som bevis på forbedring av visuell funksjon etter felttrening (Neurpsychologica. 2005. 43(14): 2011). Så vidt vi vet, har imidlertid ikke avbildning av blinde barn blitt gjort for å vurdere plastisiteten til den visuelle cortex i så ung alder. På kort sikt kan bildebehandling av disse fagene forbedre vår evne til å screene for pasienter som vil ha nytte av sensoriske substitusjonsenheter, samt å evaluere treningsparadigmer. På lang sikt vil forståelse av plastisitet på grunn av visuell deprivasjon være viktig ikke bare for sensorisk substitusjon, men for alle strategier for gjenoppretting av synet for å identifisere personer som fortsatt er i stand til å behandle visuelle input. Ettersom etterforskerne forsøker å modellere effektene av tidligere visuell erfaring på plastisitet i synsbarken etter blindhet, representerer barn en unik og essensiell del av prøven for å skille de relative effektene av blindhetsvarighet og tidlig versus sen ervervelse.

BrainPort-enheten har blitt godkjent av FDA siden juni 2015.

Betydning:

BrainPort vision-enheten er en visuell protese designet for de som er blinde. Det muliggjør oppfatning av visuell informasjon ved å bruke tungen og kamerasystemet som en paret erstatning for øyet. Visuell informasjon samles inn fra et videokamera og oversettes til milde elektriske stimuleringsmønstre på overflaten av tungen. Med opplæring oppfatter brukere form, størrelse, plassering og bevegelse av objekter i miljøet. Det er et funksjonelt, ikke-kirurgisk utstyr utviklet for å demonstrere som et hjelpemiddel for synshemmede. BrainPort vision-enheten er den eneste nye teknologien som sannsynligvis er tilgjengelig på kort sikt for å løse sikkerhets- og mobilitetsproblemer som følge av blindhet.

Resultatene våre har vist at bruken av BrainPort resulterer i atferdsforbedringer samt aktivering i visuelle kortikale regioner ved bruk av fMRI- og PET-skanninger hos voksne. Et forsøk som søker å avgjøre om funksjonelle evner også kan forbedres i en pediatrisk kohort er forsvarlig av følgende grunner:

1. Nevroplastisitet er høyest i barndommen, og den visuelt depriverte hjernen er sannsynligvis mest mottakelig for alternativ sensorisk stimulering i denne aldersgruppen.
2. BrainPort er ikke-invasiv.
3. Annet enn genterapi for Lebers medfødte amaurose, er det ingen alternativer til å gjenopprette synet for blinde barn på dette tidspunktet.
4. BrainPort har allerede CE-merkegodkjenning og venter på FDA-godkjenning (endelige sikkerhetsstudiedokumenter sendt til FDA august 2013), og bør være tilgjengelig for kjøp innen 2014, i det minste i Europa og Canada. Hvorvidt enheten kan være nyttig i en pediatrisk populasjon er et viktig klinisk spørsmål.
5. Forholdet mellom forventet nytte og risiko presentert av studien er minst like gunstig for forsøkspersonene som tilgjengelige alternative tilnærminger (blindtrening).