Восстановление и реабилитация зрительной информации с помощью технологии сенсорной замены у детей

Цель:

Наша цель — определить, могут ли функциональные улучшения, наблюдаемые у слепых субъектов, использующих BrainPort, быть реализованы в педиатрической когорте.

Конкретные цели:

Целью этого предложения является оценка нехирургического зрительного протеза (устройство зрения BrainPort), которое позволяет слепым оценивать свое непосредственное окружение и определять, как мозг интерпретирует информацию. Наша основная цель — определить, можно ли использовать устройство в педиатрической популяции, путем измерения улучшения испытуемых по сравнению с исходным уровнем в любой из следующих областей: обнаружение света, локализация света, восприятие движения и стандартизированные задачи распознавания объектов после использования BrainPort. .

В качестве второй цели исследователи будут использовать сеанс мультимодального МРТ для изучения нейрофизиологических основ сенсорного замещения у детей. При этом следователи будут преследовать две основные задачи. Во-первых, исследователи сопоставят поведенческие данные с данными визуализации, чтобы обнаружить области мозга, структура и/или функции которых связаны с успешным использованием устройств сенсорной замены. Во-вторых, исследователи будут использовать эти данные вместе с ранее собранными данными о взрослых, чтобы смоделировать влияние предшествующего зрительного опыта на пластичность зрительной коры из-за слепоты.

Фон:

Устройство зрения BrainPort — это зрительный протез, разработанный для слепых. Это позволяет воспринимать визуальную информацию, используя систему языка и камеры в качестве парного заменителя глаза. Визуальная информация собирается с видеокамеры и преобразуется в нежные узоры электрической стимуляции на поверхности языка. При обучении пользователи воспринимают форму, размер, расположение и движение объектов в окружающей среде. Это функциональное нехирургическое устройство, разработанное для демонстрации в качестве помощи слабовидящим.

Доказано, что тактильные сенсорные системы способны передавать в мозг информацию, которая обычно воспринимается визуально. Брайль и длинная трость десятилетиями давали слепым такую ​​информацию, а в 1960-х годах было ясно продемонстрировано, что тактильные входы могут обеспечить доступ к письменному печатному тексту1 и зрительным образам2. Основным ограничением развития практической замены зрения была неадекватность интерфейсов мозг-машина. Тридцать пять лет назад Пол Бах-и-Рита, доктор медицины, писал: «То, что успешная система сенсорного замещения в настоящее время не используется, может быть связано не с ограниченными функциональными возможностями мозга; это может быть связано с тем фактом, что искусственная рецепторная система еще не создано, чтобы бросить вызов адаптационным возможностям человеческого мозга»3.

Устройство BrainPort Vision С 1998 года компания Wicab занимается биомедицинскими инженерными исследованиями и разработкой коммерческих устройств на основе собственной технологии BrainPort®4. Устройство зрения BrainPort — это зрительный протез, разработанный для слепых.

Многочисленные предыдущие исследования поддерживают использование языка в качестве канала сенсорной замены2,3,5-8. Наше и другие исследования показали, что мозг может правильно интерпретировать информацию, поступающую от сенсорного замещающего устройства, даже если эта информация не представлена ​​тем же путем, что и естественная сенсорная система. Например, оптическое изображение, реально воспринимаемое глазом, не проходит дальше сетчатки, которая преобразует изображение в пространственно-временные паттерны потенциалов действия вдоль волокон зрительного нерва. Анализируя эти паттерны импульсов, мозг воссоздает изображение. Эти импульсы не уникальны для зрения. На самом деле все сенсорные системы кодируют информацию, используя один и тот же «язык»: потенциалы действия нейронов. Используя пример со зрением в качестве парадигмы, сенсорная замена требует только того, чтобы потенциалы действия были точно вовлечены в альтернативный сенсорный информационный канал. При обучении мозг может научиться правильно интерпретировать информацию из альтернативного канала, а затем обрабатывать эту информацию почти так же, как если бы это были данные из неповрежденного естественного чувства. Таким образом, эта технология приносит пользу пользователям, стимулируя язык полезной информацией об окружающей среде, которую некоторые пользователи описывают как напоминающую зрение.

Хотя технология BrainPort стимулирует язык через массив электродов, стимуляция совсем не болезненна; устройство BrainPort излучает только 11,85 мкДж за импульс (нормативный предел для устройств для накожной электростимуляции: 300 мДж). Фактически, пользователи часто сообщают об ощущении, похожем на пузырьки шампанского, шипящие на языке. Участники, использующие устройства BrainPort, будь то по несколько часов в день в течение нескольких недель или по 20 минут в день в течение года, не сообщают о дискомфорте.

Небольшая работа была проделана с использованием изображений для изучения слепых детей. Werth и Seelos использовали фМРТ для измерения вызванной активности в зрительной коре у детей в качестве доказательства улучшения зрительной функции после полевых тренировок (Neurpsychologica. 2005. 43(14): 2011). Однако, насколько нам известно, визуализация слепых детей для оценки пластичности зрительной коры в столь раннем возрасте не проводилась. В краткосрочной перспективе визуализация этих субъектов может улучшить нашу способность скрининга пациентов, которым будут полезны устройства сенсорной замены, а также оценить парадигмы обучения. В долгосрочной перспективе понимание пластичности из-за зрительной депривации будет важно не только для сенсорной замены, но и для всех стратегий восстановления зрения, чтобы идентифицировать субъектов, все еще способных обрабатывать визуальный ввод. Поскольку исследователи пытаются смоделировать влияние предыдущего зрительного опыта на пластичность зрительной коры после слепоты, дети представляют собой уникальную и важную часть выборки, чтобы разделить относительные эффекты продолжительности слепоты и раннего или позднего приобретения слепоты.

Устройство BrainPort было одобрено FDA с июня 2015 года.

Значение:

Устройство зрения BrainPort — это зрительный протез, разработанный для слепых. Это позволяет воспринимать визуальную информацию, используя систему языка и камеры в качестве парного заменителя глаза. Визуальная информация собирается с видеокамеры и преобразуется в нежные узоры электрической стимуляции на поверхности языка. При обучении пользователи воспринимают форму, размер, расположение и движение объектов в окружающей среде. Это функциональное нехирургическое устройство, разработанное для демонстрации в качестве помощи слабовидящим. Устройство зрения BrainPort — единственная новая технология, которая, вероятно, будет доступна в ближайшем будущем для решения проблем безопасности и мобильности, возникающих в результате слепоты.

Наши результаты показали, что использование BrainPort приводит к улучшению поведения, а также к активации зрительных областей коры головного мозга с помощью фМРТ и ПЭТ у взрослых. Исследование, направленное на определение возможности улучшения функциональных способностей в педиатрической когорте, оправдано по следующим причинам:

1. Нейропластичность наиболее высока в детстве, и слабовидящий мозг, вероятно, наиболее восприимчив к альтернативной сенсорной стимуляции в этой возрастной группе.
2. BrainPort неинвазивен.
3. Кроме генной терапии врожденного амавроза Лебера, в настоящее время нет альтернативы восстановлению зрения у слепых детей.
4. BrainPort уже имеет одобрение CE Mark и ожидает одобрения FDA (окончательные документы по исследованию безопасности представлены в FDA в августе 2013 г.) и должно быть доступно для покупки к 2014 г., по крайней мере, в Европе и Канаде. Может ли устройство быть полезным в педиатрической популяции, является важным клиническим вопросом.
5. Отношение ожидаемой пользы к риску, связанному с исследованием, по меньшей мере столь же благоприятно для испытуемых, как и при доступных альтернативных подходах (обучение вслепую).