Visuell informationsåterställning och rehabilitering via sensorisk substitutionsteknik hos barn

Mål:

Vårt mål är att avgöra om de funktionella förbättringar som ses hos blinda försökspersoner som använder BrainPort kan realiseras i en pediatrisk kohort.

Specifika mål:

Syftet med detta förslag är att utvärdera en icke-kirurgisk synprotes (BrainPort vision-enhet) som gör det möjligt för blinda att uppskatta sin omedelbara omgivning och bestämma hur hjärnan tolkar informationen. Vårt huvudmål är att avgöra om enheten kan användas i en pediatrisk population genom att mäta försökspersonernas förbättring över baslinjen inom något av följande områden: ljusdetektion, ljuslokalisering, rörelseuppfattning och standardiserade objektigenkänningsuppgifter efter användning av BrainPort .

Som ett andra syfte kommer utredarna att använda en multimodal MR-skanningssession för att studera den neurofysiologiska grunden för sensorisk substitution hos barn. Under detta mål kommer utredarna att eftersträva två huvudmål. Först kommer utredarna att korrelera beteendedata med bilddata för att upptäcka områden i hjärnan där struktur och/eller funktion är förknippade med framgångsrik användning av sensoriska substitutionsanordningar. För det andra kommer utredarna att använda dessa data tillsammans med tidigare insamlade vuxendata för att modellera effekterna av tidigare visuell erfarenhet på visuell cortex plasticitet på grund av blindhet.

Bakgrund:

BrainPort vision-enheten är en synprotes designad för de som är blinda. Det möjliggör uppfattning av visuell information med hjälp av tungan och kamerasystemet som en parad ersättning för ögat. Visuell information samlas in från en videokamera och översätts till milda elektriska stimuleringsmönster på tungans yta. Med träning uppfattar användarna form, storlek, placering och rörelse hos föremål i sin omgivning. Det är en funktionell, icke-kirurgisk apparat utvecklad för att demonstrera som ett hjälpmedel för synskadade.

Taktila sensoriska system har visat sig kunna föra information till hjärnan som vanligtvis förvärvas visuellt. Punktskrift och den långa käppen har gett sådan information till blinda i årtionden, och på 1960-talet visades det tydligt att taktila inmatningar kunde ge tillgång till skriftliga tryck1 och visuella bilder2. Den huvudsakliga begränsningen för utvecklingen av praktisk synsubstitution har varit otillräckligheten av hjärn-maskin-gränssnitt. För trettiofem år sedan skrev Paul Bach-y-Rita, MD "Att ett framgångsrikt sensoriskt substitutionssystem inte används för närvarande beror kanske inte på begränsade funktionella kapaciteter i hjärnan; det kan bero på det faktum att ett artificiellt receptorsystem har ännu inte konstruerats för att utmana den mänskliga hjärnans adaptiva kapacitet"3.

BrainPort Vision Device Sedan 1998 har Wicab fokuserat på biomedicinsk ingenjörsforskning och utveckling av kommersiella enheter baserade på dess egenutvecklade BrainPort®-teknologi4. BrainPort vision-enheten är en synprotes designad för de som är blinda.

Många tidigare studier stödjer användning av tungan som en sensorisk substitutionskanal2,3,5-8. Vår och andras forskning har avslöjat att hjärnan korrekt kan tolka information från en sensorisk substitutionsenhet, även när informationen inte presenteras på samma väg som det naturliga sensoriska systemet. Till exempel färdas den optiska bilden som faktiskt tas emot av ögat inte längre än till näthinnan, vilket omvandlar bilden till rums-temporala mönster av aktionspotentialer längs synnervens fibrer. Genom att analysera dessa impulsmönster återskapar hjärnan bilden. Dessa impulser är inte unika för synen. Faktum är att alla sensoriska system kodar information med samma "språk": neuronala aktionspotentialer. Med hjälp av synexemplet som ett paradigm kräver sensorisk substitution endast att aktionspotentialer är korrekt indragna i den alternativa sensoriska informationskanalen. Med träning kan hjärnan lära sig att korrekt tolka information från den alternativa kanalen och sedan bearbeta den informationen på samma sätt som data från det intakta naturliga sinnet. Därför gynnar denna teknik användarna genom att stimulera tungan med användbar information om sin miljö, som vissa användare har beskrivit som att likna syn.

Även om BrainPort-teknik stimulerar tungan genom elektroduppsättningen är stimuleringen inte alls smärtsam; en BrainPort-enhet avger endast 11,85 µJ per puls (reglerad gräns för kutant elektrisk stimulerande enheter: 300 mJ). Faktum är att användare ofta rapporterar att känslan är som champagnebubblor som brusar på tungan. Deltagare som använder BrainPort-enheter, oavsett om det är flera timmar varje dag under loppet av några veckor eller 20 minuter om dagen i upp till ett år, rapporterar inget obehag.

Lite arbete har gjorts med bildbehandling för att studera blinda barn. Werth och Seelos använde fMRI för att mäta framkallad aktivitet i synbarken hos barn som bevis på förbättring av synfunktionen efter fältträning (Neurpsychologica. 2005. 43(14): 2011). Men såvitt vi vet har avbildning av blinda barn för att bedöma plasticiteten i synbarken vid så ung ålder inte gjorts. På kort sikt kan avbildning av dessa ämnen förbättra vår förmåga att screena för patienter som skulle dra nytta av sensoriska substitutionsanordningar samt att utvärdera träningsparadigm. På lång sikt kommer förståelsen av plasticitet på grund av visuell deprivation att vara viktig inte bara för sensorisk substitution, utan för alla synåterställningsstrategier för att identifiera ämnen som fortfarande kan bearbeta visuell input. När utredarna försöker modellera effekterna av tidigare synerfarenhet på plasticitet i synbarken efter blindhet, representerar barn en unik och viktig del av provet för att reta isär de relativa effekterna av blindhetens varaktighet och tidigt kontra sent förvärv.

BrainPort-enheten har godkänts av FDA sedan juni 2015.

Betydelse:

BrainPort vision-enheten är en synprotes designad för de som är blinda. Det möjliggör uppfattning av visuell information med hjälp av tungan och kamerasystemet som en parad ersättning för ögat. Visuell information samlas in från en videokamera och översätts till milda elektriska stimuleringsmönster på tungans yta. Med utbildning uppfattar användarna form, storlek, placering och rörelse av föremål i sin miljö. Det är en funktionell, icke-kirurgisk apparat utvecklad för att demonstrera som ett hjälpmedel för synskadade. BrainPort vision-enheten är den enda nya teknologin som sannolikt är tillgänglig på kort sikt för att lösa säkerhets- och mobilitetsproblem till följd av blindhet.

Våra resultat har visat att användningen av BrainPort resulterar i beteendeförbättringar samt aktivering i visuella kortikala regioner med hjälp av fMRI och PET-skanningar hos vuxna. En prövning som syftar till att avgöra om funktionsförmågan också kan förbättras i en pediatrisk kohort är motiverad av följande skäl:

1. Neuroplasticiteten är högst i barndomen, och den visuellt berövade hjärnan är sannolikt mest mottaglig för alternativ sensorisk stimulering i denna åldersgrupp.
2. BrainPort är icke-invasiv.
3. Förutom genterapi för Lebers medfödda amauros finns det inga alternativ till att återställa synen för blinda barn för närvarande.
4. BrainPort har redan CE-märkt godkännande och väntar på FDA-godkännande (slutliga säkerhetsstudiedokument inlämnade till FDA augusti 2013), och bör vara tillgängliga för köp senast 2014, åtminstone i Europa och Kanada. Huruvida enheten kan vara användbar i en pediatrisk population är en viktig klinisk fråga.
5. Förhållandet mellan den förväntade nyttan och den risk som studien presenterar är minst lika gynnsam för försökspersonerna som den som tillhandahålls av tillgängliga alternativa metoder (blindträning).