Den perseptuelle opplevelsen til Argus II-brukere

Netthinnedystrofier som retinitis pigmentosa og makuladegenerasjon resulterer i alvorlig synshemming hos mer enn 10 millioner mennesker over hele verden. En behandlingsteknologi, visuelle nevroproteser, tar sikte på å gjenopprette synet ved å elektrisk stimulere overlevende celler i netthinnen eller tidlig visuell cortex, analogt med cochleaimplantater. To enheter er godkjent for kommersiell bruk, mens andre skal starte kliniske studier innen noen få år. Nåværende enheter lider imidlertid av betydelige perseptuelle forvrengninger på grunn av interaksjoner mellom implantatelektronikken og den underliggende nevrofysiologien. Her vil etterforskerne kombinere menneskelig psykofysikk, beregningsmodellering, virtuell virkelighet (VR) og maskinlæring (ML) for å utvikle og validere nye stimuleringsprotokoller for synsprotesepasienter som reduserer perseptuelle forvrengninger og derved forbedrer effektiviteten til nevroproteser.

Mål 1: Å optimalisere stimuleringsprotokoller ved hjelp av en psykofysisk validert fosfenmodell.

De forenklede simuleringsprotokollene som for tiden brukes av produsenter av proteseutstyr, tar ikke hensyn til de perseptuelle forvrengningene som er rapportert i kliniske studier. Derimot kan en beregningsmodell basert på psykofysiske data bedre forutsi de perseptuelle forvrengningene til brukere av Argus II (Second Sight).

1. Etterforskerne vil psykofysisk validere beregningsmodellen ved å stimulere til vilkårlige kombinasjoner av enkelt-, parede og flere elektroder. Modellen vil bli testet på Argus II-pasienter, og deres ytelse vil bli sammenlignet med resultatene til "virtuelle pasienter"-seende personer som ser oppfatninger generert av modellen.
2. Ved å bruke treningssett generert av modellen, vil etterforskerne trene et dypt nevralt nettverk for å lære en omtrentlig invers transformasjon av modellen som kan brukes til å identifisere stimuleringsprotokollen som minimerer perseptuelle forvrengninger for orienterte gitter og bevegelige stenger. Etterforskerne vil deretter teste om dette forbedrer ytelsen til Argus II og virtuelle pasienter i en orienteringsdiskriminering og bevegelsesretningsidentifikasjonsoppgave.

Mål 2: Å utvikle en forbedret modell ved å inkludere elektrofysiologiske data som kan optimalisere stimuleringsprotokollene ytterligere.

Modellen utviklet i Mål 1 var basert på psykofysiske data. Imidlertid har forvrengningene beskrevet ovenfor også blitt observert in vitro. I dette målet vil etterforskerne utvikle en forbedret modell for å studere hvordan spatiotemporal nevronal dynamikk påvirker protetisk effektivitet. Dette vil utvide søkeområdet for å søke etter optimaliserte protokoller. Etterforskerne vil:

1. Inkorporer viktige fysiologiske observasjoner fra litteraturen i modellen beskrevet ovenfor på en trinnvis måte. Etter hvert trinn vil effekten av disse endringene på modellens evne til å forutsi psykofysiske data bli målt.
2. Bruk et dypt nevralt nettverk for å lære en omtrentlig invers transformasjon av denne mer komplekse forbedrede modellen, og test om dette forbedrer ytelsen til Argus II og virtuelle pasienter i en orienteringsdiskriminering og bevegelsesretningsidentifikasjonsoppgave.

Mål 3: Å utvikle nye stimuleringsprotokoller ved å bruke datasyn til 'virtuelle pasienter' i VR.

Etterforskerne vil bygge inn modellen utviklet i Mål 2 i VR for å generere 'VR-virtuelle pasienter' for raskt og effektivt å teste nye stimuleringsprotokoller ved å bruke visuelt typiske individer. Protokoller som resulterer i god VR-ytelse vil bli validert hos ekte protesepasienter. Etterforskerne vil:

1. Bruk virtuelle VR-pasienter til å forutsi systematiske feil hos Argus II-brukere i en topunkts diskrimineringsoppgave.
2. Vurder innvirkningen av øyebevegelser på atferdsytelsen ved å bruke en blikkkontingent skjerm i VR.
3. Vurder potensialet til datasynsforbehandlingsmetoder som kantforbedring, retargeting og decluttering for å forbedre synet ved å måle atferdsmålinger på en objektgjenkjenningsoppgave i VR. De mest lovende teknikkene vil bli testet på Argus II-pasienter.

Disse eksperimentene er designet for å kvantifisere de perseptuelle opplevelsene til pasienter med netthinneprotese og følge standardprosedyrer for innsamling av atferdsdata. Ytelse hos pasienter vil bli sammenlignet med ytelse hos normalt seende kontrollpersoner som ser på stimuli manipulert for å matche den forventede perseptuelle opplevelsen til protesepasienter.

Etterforskerne vil produsere visuelle oppfatninger hos pasienter enten ved å stimulere elektroder direkte (ved å bruke FDA-godkjente pulstog) eller ved å be dem se på en datamaskin eller projektorskjerm og bruke standard FDA-godkjente stimuleringsprotokoller (som standard brukes for enhetene deres) for å konvertere datamaskin- eller projektorskjermbilde inn i pulstog på elektrodene deres. Alle stimuleringsprotokoller vil være godkjent av FDA. Kontrollpersoner vil se stimuli på en dataskjerm eller gjennom et virtuell virkelighet (VR) system. I noen tilfeller vil stimuli som presenteres for å kontrollere forsøkspersoner med normalt syn bli forvrengt for å matche den perseptuelle opplevelsen til forsøkspersoner med proteser.

Den normale stimuleringsmetoden er en kjede fra et kamera montert på briller gjennom en videobehandlingsenhet (VPU) som konverterer videobildet til FDA-godkjente elektroniske pulstog.

Noen ganger vil emner bli testet med kameraet. Oftere vil etterforskerne utføre "direkte stimulering" ved å bruke en ekstern datamaskin for å spesifisere pulstog direkte (f.eks. et 1s 10 Hz katodisk pulstog, med en strømamplitude på 100 mikroamplitude og en pulsbredde på 45 mikrosekunder til elektrode 12) . Disse direkte pulstogene sendes deretter til VPU.

Denne VPUen inneholder programvare som sørger for at disse pulstogene er innenfor FDA-godkjente sikkerhetsgrenser. For eksempel må disse pulsene være ladningsbalansert (lik anodisk/katodisk ladning) og må ha en ladningstetthet under 35 mikroCoulombs/cm2. Noen ganger vil emner bli testet med kameraet. Noen ganger vil etterforskerne sende pulser direkte til VPU ved direkte å spesifisere pulstog (f.eks. sende et 1 s 10 Hz katodisk pulstog, med en strømamplitude på 100 mikroamplitude og en pulsbredde på 45 mikroampere til elektrode 12) via Second Sights FDA-godkjente programvarepakke (inkludert deres Clinical Fitting System). Det er to stadier i programvaren som sikrer at disse pulstogene må holde seg innenfor FDA-grensene: (1) hver app i programvarepakken er basert på et FDA-godkjent applikasjonsprogrammeringsgrensesnitt (API) som utfører kontroller og vil "graciously feil" hvis de spesifiserte pulstogene er utenfor akseptable grenser, (2) er VPU-ens fastvare programmert til kun å levere FDA-godkjente pulser.

Frekvensen til pulstoget og strømamplituden til pulstoget er faktisk ikke et kritisk sikkerhetsproblem, siden det elektroniske/nevrale grensesnittet er robust mot ekstremt høye stimuleringshastigheter og høye strømnivåer.

Imidlertid kan høyfrekvente pulstog eller pulstog med høy amplitude produsere ubehag hos pasienter (analogt med å gå fra en mørk kinosal til sollys) på grunn av indusering av storskala nevronal avfyring. Etterforskerne vil normalt fokusere på pulstogfrekvenser/amplituder som er i normalområdet som pasienten bruker når de bruker enheten.

Hvis etterforskerne bruker parametere som kan forventes å produsere en mer intens nevral respons (og derfor har potensial til å forårsake ubehag), vil de alltid introdusere dem i en trinnvis funksjon (f.eks. gradvis økende amplitude) mens de sjekker at følelsen ikke er "ubehagelig lys", og de vil umiddelbart redusere stimuleringsintensiteten hvis pasienter rapporterer at følelsen nærmer seg ubehag. PI har erfaring med denne tilnærmingen, og vil trene alt personell på disse protokollene.

Som svar på stimuleringen/bildet på skjermen, vil forsøkspersonene bli bedt om å gjøre atferdsvurderinger. Eksempler inkluderer oppdagelse av en stimulus ('så du et lys på den prøven'), rapportering av størrelse ved å tegne på en berøringsskjerm, rapportering av form ved å velge et taktil objekt med lignende form, eller identifisere hvilken bokstav som har blitt presentert. Etterforskerne vil bruke standardprotokoller for å samle atferdsdata. Pasienten vil enten bruke verbal rapport, tegne figurer på en berøringsskjerm, eller vil bruke tastaturet eller tastaturet koblet til en datamaskin som et middel til å rapportere om stimuli. Både pasientrespons og reaksjonstid vil bli registrert.

Ingen av disse stimuli vil fremkalle emosjonelle reaksjoner eller være aversive på noen måte.

I noen tilfeller vil etterforskerne også samle inn data som måler forsøkspersonens øyeposisjon. Dette er en ikke-invasiv prosedyre som vil bli utført ved bruk av standard øyesporingsutstyr via et infrarødt kamera som sporer posisjonen til motivets pupill. Kun målinger som øyeposisjon eller øyeblink vil bli registrert, så disse dataene inneholder ikke identifiserbar informasjon.

Pasienter vil sitte i en komfortabel stol ca. 100 cm fra enten en dataskjerm eller en bakprojeksjonsskjerm som et bilde projiseres på ved hjelp av en videoprojektor. Pasientens hake vil hvile på en hakestøtte for å forhindre hodebevegelser. Auditive stimuli kan brukes for å signalisere begynnelsen av forsøk/responsperiode. Disse auditive signalene vil være på komfortable lydstyrkenivåer.

Pasienter oppfordres til å ta pauser så ofte som nødvendig (de kan forlate testrommet). Etterforskerne vil bruke ulike eksperimentelle teknikker inkludert: (1) Samme-forskjellig - f.eks. forsøkspersoner får vist to oppfatninger og blir spurt om de er like eller forskjellige. (2) Justeringsmetode - f.eks. forsøkspersoner blir bedt om å justere en visning/stimuleringsintensitet til en oppfatning knapt er synlig, (3) 2-alternativ-tvungen valg - f.eks. pasienter vil bli presentert for to stimuli og spurt om hvilken av de to stimuli som er lysere (4) Identifikasjon - pasienter blir bedt om å identifisere hvilken bokstav som ble presentert.

I noen tilfeller, i tillegg til å måle nøyaktighet, vil etterforskerne også måle forbedring med praksis ved å gjenta den samme oppgaven over flere økter (opptil 5 økter, hver utført på forskjellige testdager).