Get best of the week

Implan baru untuk tunanetra terhubung langsung ke otak

Peneliti berhasil melakukannya tanpa menggunakan mata, memasang implan di otak yang memberikan penglihatan yang belum sempurna




"Alli," kata Bernardeta Gomez dalam bahasa aslinya, Spanyol, menunjuk ke garis hitam tebal yang membentang di sepanjang selembar karton putih yang terletak sangat jauh darinya. "Sana".

Bukan prestasi yang sangat mengesankan untuk wanita berusia 57 tahun - hanya Gomez yang buta. Dan dia belum melihat selama lebih dari sepuluh tahun. Ketika dia berusia 42 tahun, neuropati optik beracun menghancurkan saraf yang menghubungkan mata Gomez ke otak, dan dia benar-benar kehilangan pandangan. Dia bahkan tidak bisa mengenali cahaya.

Tetapi setelah 16 tahun kegelapan, Gomez diberi jendela enam bulan di mana dia bisa melihat kemiripan dunia di sekitarnya dalam resolusi yang sangat rendah, diwakili oleh titik-titik dan angka kuning-putih. Ini dimungkinkan berkat kacamata yang dimodifikasi dengan kamera kecil. Perangkat terhubung ke komputer yang memproses gambar secara real time dan mengubahnya menjadi sinyal listrik. Sebuah kabel yang menggantung dari langit-langit menghubungkan sistem ke konektor yang dibangun di bagian belakang kepala Gomez, yang terhubung ke implan dengan 100 kontak, ditempatkan di korteks visual di belakang otaknya.


Bernarda Gomez berkacamata dengan kamera. Sayangnya, implan sudah dikeluarkan dari otaknya - sementara ini adalah perangkat sementara

Dengan bantuan perangkat, Gomez membedakan lampu langit-langit, bentuk paling sederhana yang dicetak di atas kertas dan manusia. Dia bahkan memainkan permainan sederhana seperti Pac-Man di komputer yang diproyeksikan langsung ke otaknya. Empat hari seminggu selama percobaan, Gomez membawa suaminya yang terlihat ke laboratorium, di mana dia terhubung ke sistem.

Momen pertama untuk mendapatkan visi Gomez pada akhir 2018 adalah puncak dari beberapa dekade penelitian yang dilakukan oleh Eduardo Fernandez, direktur departemen neuroengineering Universitas. Miguel Hernandez di Elche, Spanyol. Tujuannya adalah mengembalikan penglihatan kepada sebanyak 36 juta orang buta di seluruh dunia yang ingin melihat lagi. Pendekatan Fernandez sangat menarik karena dia tidak menggunakan mata dan saraf optik.

Penelitian sebelumnya dilakukan dalam upaya untuk mengembalikan penglihatan dengan membuat mata atau retina buatan. Pendekatannya berhasil, tetapi di sebagian besar orang buta, seperti Gomez, sistem saraf yang menghubungkan retina ke bagian belakang otak rusak. Mata tiruan tidak akan menyelesaikan masalah kebutaan mereka. Oleh karena itu, pada 2015, Penglihatan Kedua, pada 2011 di Eropa, dan pada 2013 di AS, yang menerima izin untuk menjual retina buatan untuk penyakit langka, retinitis pigmentosa, mengalihkan pekerjaan dua dekade dari retina ke korteks serebral. Second Sight mengatakan bahwa retina buatan Argus II sekarang digunakan oleh lebih dari 350 orang.

Selama kunjungan terakhir saya ke kota Elcho yang dipenuhi pohon palem, Fernandez mengatakan kepada saya bahwa terobosan dalam teknologi implan dan pemahaman yang lebih baik tentang sistem visual manusia memungkinkannya untuk dengan percaya diri beralih bekerja secara langsung dengan otak. "Informasi dalam sistem saraf tidak berbeda dengan informasi dalam perangkat elektronik," katanya.

Mengembalikan penglihatan dengan mengirimkan sinyal langsung ke otak adalah tugas yang ambisius. Namun, prinsip dasarnya telah digunakan dalam implan medis elektronik pada manusia selama beberapa dekade. “Hari ini,” Fernandez menjelaskan, “ada banyak perangkat elektronik yang berinteraksi dengan tubuh manusia. Misalnya, alat pacu jantung. Jika kita berbicara tentang indra, maka kita memiliki implan koklea . "


Eduardo Fernandez

Perangkat terakhir yang disebutkan adalah versi pendengaran dari prostesis yang dibuat oleh Fernandez untuk Gomez: mikrofon eksternal dan sistem pemrosesan yang mentransmisikan sinyal digital ke implan yang terletak di telinga bagian dalam. Elektroda implan mengirimkan pulsa saat ini ke saraf di dekatnya, yang ditafsirkan otak sebagai suara. Implan koklea, pertama kali diperkenalkan kepada pasien pada tahun 1961, memungkinkan lebih dari setengah juta orang di seluruh dunia untuk berkomunikasi secara normal dalam mode sehari-hari.

"Berna adalah pasien pertama kami, tetapi selama beberapa tahun terakhir kami telah menanamkan lima orang buta lagi," kata Fernandez, seorang Gomez bernama. "Kami melakukan percobaan serupa pada hewan, tetapi kucing atau monyet tidak bisa menjelaskan apa yang mereka lihat."

Dan Berne mampu.

Untuk berpartisipasi dalam percobaan ini diperlukan keberanian. Untuk memasang implan, diperlukan operasi bedah pada tubuh, yang umumnya sehat - dan ini selalu berisiko. Dan kemudian perlu untuk menghapusnya setelah enam bulan, karena prostesis tidak disetujui untuk pemakaian jangka panjang.

Kejang dan fosfena


Sebelum saya melihat Gomez, saya sudah mendengarnya. Dia memiliki suara seorang wanita, sepuluh tahun lebih muda dari usia sebenarnya. Kata-kata dalam pidatonya ditimbang, suaranya lembut, intonasinya hangat, percaya diri dan bahkan.

Melihatnya di laboratorium, saya perhatikan bahwa Gomez begitu akrab dengan denah lantai sehingga dia hampir tidak membutuhkan bantuan untuk bergerak di koridor dan kamar-kamar tetangga. Ketika saya datang padanya untuk menyapa, wajahnya pertama kali diarahkan ke arah yang salah sampai saya mengatakan "halo" kepadanya. Ketika saya membantunya memberi salam, suaminya mengirimkan kuasnya ke tangan saya.

Hari ini, Gomez mendatangi MRI otak untuk mengevaluasi kondisinya enam bulan setelah pengangkatan implan (pada akhirnya, semuanya baik-baik saja). Dia juga bertemu dengan pasien kedua potensial yang tiba di sana, yang juga hadir selama kunjungan saya. Pada suatu saat, ketika Fernandez menjelaskan bagaimana peralatan terhubung ke tengkorak, Gomez menyela diskusi, membungkuk dan menekan tangan pasien potensial ke tengkuknya, di mana ada konektor logam. Saat ini, praktis tidak ada bukti pelabuhan. Menurutnya, operasi itu sangat mudah sehingga pada hari berikutnya dia tiba di laboratorium untuk terhubung dan memulai percobaan. Sejak itu, dia tidak memiliki masalah atau rasa sakit.

Gomez beruntung. Sejarah panjang eksperimen yang mengarah pada keberhasilan implantasinya memiliki masa lalu yang beragam. Pada tahun 1929, ahli saraf Jerman Otfried Förster menemukan bahwa ia dapat menyebabkan titik putih muncul di bidang penglihatan pasien dengan menempelkan elektroda ke dalam korteks visual otak selama operasi. Dia menyebut fenomena ini fosfen . Para ilmuwan dan penulis novel NF telah membayangkan potensi prostesis yang menghubungkan kamera dan komputer ke otak. Beberapa peneliti bahkan telah menciptakan sistem yang belum sempurna seperti ini.

Pada awal 2000-an, hipotesis menjadi kenyataan ketika seorang peneliti biomedis eksentrik, William Dobel, memasang prostesis yang sama di kepala pasien eksperimental.

Pada tahun 2002, penulis Stephen Kotler menyaksikan dengan ngeri ketika Dobel meningkatkan ketegangannya dan pasien jatuh ke lantai dalam keadaan bugar. Ternyata otak tidak suka stimulasi terlalu kuat dengan arus terlalu banyak. Pasien Dobel juga memiliki masalah dengan infeksi. Tetapi pada saat yang sama, Dobel mengiklankan perangkatnya yang besar hampir siap untuk penggunaan sehari-hari, melengkapi iklan dengan video di mana seorang buta secara perlahan dan tidak pasti mengendarai mobil di tempat parkir tertutup. Setelah kematian Dobel pada tahun 2004, prostesisnya juga pergi bersamanya.

Tidak seperti Dobel, yang mengaku mengobati kebutaan, Fernandez terus-menerus mengatakan hal-hal seperti "Saya tidak ingin memberi Anda harapan dengan sia-sia" dan "kami berharap bahwa kami akan mendapatkan sistem yang cocok untuk digunakan, tetapi untuk saat ini kami sedang melakukan eksperimen awal."

Tapi Gomez sebenarnya bisa melihat.

Tempat tidur kuku


Jika ide dasar untuk mengembalikan visi Gomez cukup sederhana - kami menghubungkan kamera ke kabel video yang mengarah ke otak - maka rinciannya sama sekali tidak sederhana. Fernandez dan tim pertama-tama harus berurusan dengan menghubungkan kamera. Sinyal apa yang dipancarkan retina manusia? Mencoba menjawab pertanyaan ini, Fernandez mengambil retina dari orang-orang yang baru saja meninggal, menghubungkannya ke elektroda, menyinari dan mengukur arus. Laboratoriumnya bekerja erat dengan rumah sakit setempat, dari tempat mereka kadang-kadang dapat menelepon di malam hari, melaporkan kematian donor organ. Retina manusia dapat dipertahankan hidup tidak lebih dari tujuh jam. Timnya juga menggunakan pembelajaran mesin untuk mencocokkan sinyal listrik retina dengan gambar visual sederhana, yang membantu mereka menulis perangkat lunak yang secara otomatis mensimulasikan proses ini.

Langkah selanjutnya adalah mengambil sinyal ini dan mengirimkannya ke otak. Dalam prostesis yang dibuat oleh Fernandez untuk Gomez, kabel dihubungkan ke implan dari skema terkenal , " Utah array ", yang kira-kira seukuran titik kecil di ujung positif baterai AAA. Dari itu menjulurkan 100 elektroda tajam satu milimeter tinggi - semuanya bersama-sama tampak seperti paku. Setiap elektroda mengalirkan arus ke beberapa neuron, dari satu hingga empat. Saat memasang implan, elektroda menembus permukaan otak; ketika diangkat, 100 tetes darah kecil terbentuk di lubang.



Fernandez perlu mengkalibrasi elektroda satu per satu, mengirimkan sinyal kepada mereka dengan voltase yang meningkat secara bertahap, sampai Gomez mengatakan di mana dan kapan ia melihat fosfena. Kalibrasi seluruh seratus elektroda memakan waktu lebih dari sebulan.

"Keuntungan dari pendekatan kami adalah bahwa elektroda array memasuki otak dan dekat dengan neuron," kata Fernandez. Ini memungkinkan implan untuk memberikan penglihatan menggunakan arus jauh lebih rendah dibandingkan dengan sistem Dobel, yang secara dramatis mengurangi risiko kejang.

Kerugian besar prostesis - dan alasan utama mengapa Gomez tidak diizinkan berjalan dengan prostesis selama lebih dari enam bulan - adalah bahwa tidak ada yang tahu berapa lama elektroda dapat ada sebelum implan atau otak pengguna mulai menurun. "Sistem kekebalan tubuh mulai memecah elektroda dan mengelilingi mereka dengan jaringan parut, yang melemahkan sinyal," kata Fernandez. Ada juga masalah elektroda lentur selama gerakan manusia. Dilihat oleh percobaan pada hewan dan hasil awal menggunakan prosthesis Gomez, ia menduga bahwa skema saat ini dapat berlangsung dua hingga tiga tahun, mungkin hingga sepuluh tahun, sebelum gagal. Fernandez berharap bahwa suntingan kecil akan membantu memperpanjang periode ini selama beberapa dekade - yang sangat penting untuk peralatan medis yang memerlukan intervensi bedah.

Pada akhirnya, prostesis, seperti implan koklea, perlu mengirimkan sinyal dan energi secara nirkabel melalui tengkorak. Tetapi untuk saat ini, untuk percobaan, prostesis terhubung melalui kabel - ini meninggalkan lebih banyak peluang untuk memperbarui peralatan sebelum berhenti pada skema operasi tertentu.

Dengan resolusi 10x10 piksel, potensi maksimum untuk implan Gomez, orang dapat membedakan antara bentuk dasar seperti huruf, pintu atau trotoar. Dengan kontur wajah dan terutama detail wajah seseorang, itu lebih rumit. Karena itu, Fernandez melengkapi sistemnya dengan program pengenalan pola yang menentukan kepribadian seseorang dan mengirimkan pola fosfen ke otak Gomez, yang ia pelajari untuk dikenali.

Pada satu slide presentasi teknologi, Fernandez menulis bahwa "penglihatan dimungkinkan" dengan resolusi 25x25 piksel. Dan karena dalam versi saat ini, array Utah sangat kecil dan membutuhkan sedikit energi, Fernandez mengatakan bahwa tidak ada batasan teknis yang akan mencegah timnya memasang empat atau enam implan dari berbagai sisi otak, yang akan memberikan penglihatan dengan resolusi 60x60 piksel atau lebih. Namun, tidak ada yang tahu berapa banyak informasi yang datang dengan cara ini dari perangkat tersebut dapat diserap oleh otak tanpa kelebihan.

Seperti apa bentuknya



Fernandez dan mahasiswa pascasarjananya dengan kamera prototipe yang terhubung ke komputer,

Gomez mengatakan kepada saya bahwa jika dia punya pilihan, dia akan meninggalkan implan dan akan menjadi yang pertama dalam antrean untuk versi terbarunya. Ketika Fernandez selesai menganalisis array-nya, Gomez berencana untuk meletakkannya di bingkai dan menggantungnya di dinding di ruang tamu.

Di laboratorium Fernandez, dia menawarkan saya untuk terhubung ke perangkat non-invasif yang dia gunakan untuk mempelajari pasien.

Duduk di kursi kulit yang sama seperti yang dilakukan Gomez tahun lalu selama percobaan terobosan, saya merasakan bagaimana seorang ilmuwan saraf menekan tongkat dengan dua cincin di kepala saya di satu sisi. Perangkat ini, "koil kupu-kupu," terhubung ke kotak yang menggairahkan neuron di otak menggunakan pulsa elektromagnetik yang kuat. Fenomena ini disebutstimulasi magnetik transkranial . Impuls pertama seperti sengatan listrik ke kulit kepala. Jari-jari tanpa sadar menggali ke dalam telapak tangan. "Lihat, itu berhasil!" - Terkekeh Gomez. “Ini adalah korteks motorimu. Sekarang mari kita coba menyebut Anda fosfena. "

Ahli neurobiologis mengubah posisi tongkat dan menyesuaikan mesin untuk mengulangi pulsa dengan cepat. Kali ini, setelah mulai, aku merasa kesemutan di belakang kepalaku, seolah-olah seseorang menggunakan tengkorakku sebagai pengetuk pintu. Kemudian, meskipun mataku terbuka, aku melihat sesuatu yang aneh: garis horizontal cerah berkedip-kedip di tengah bidang penglihatanku, serta dua segitiga bercahaya yang diisi dengan sesuatu seperti gambar di TV tanpa adanya sinyal. Gambar menghilang secepat itu muncul, meninggalkan sedikit perasaan senang sesudahnya.

"Tentang hal yang sama yang bisa dilihat Bern," kata Fernandez. Hanya "pandangan" -nya tentang dunia yang tetap lebih stabil selama sinyal masuk ke otak. Dia juga bisa menoleh dan menggunakan kacamata untuk melihat-lihat ruangan. Saya hanya melihat bayangan internal otak, yang terstimulasi oleh listrik. Gomez mampu menjangkau dan menyentuh dunia yang dia lihat untuk pertama kalinya dalam 16 tahun.

More articles:


All Articles