Кортикальный зрительный протез

диссертация Марианны Ивановой

статья "Свет в конце нейрона" журнал Эксперт, 2008г

Обзор литературы (ч.2). Компоненты кортикального зрительного протеза

Кортикальный зрительный протез представляет собой систему из рецептивной, обрабатывающей и стимулирующей составляющих (рис. 1).

Рецептивный компонент

Входной компонент КЗП получает изображение определенного поля зрения перед «взглядом» пациента. Эту функцию осуществляет миниатюрная видеокамера, установленная перед глазом, например, в оправе очков. На нынешнем этапе развития техники создать такую камеру не представляет проблем.

Обработка поступающего видеосигнала в паттерн электрических импульсов

Вторым компонентом является вычислительная система в совокупности с программным и электронным блоками, кодирующая последовательность и параметры стимуляции микроэлектродов, где поступающий видеосигнал от камеры обрабатывается таким образом, чтобы вычислить функционально значимые объекты в поле зрения, максимально повысить их контрастность и, главное, закодировать модифицированное изображение в паттерн электрической стимуляции соответствующих точек коры головного мозга.

Рис 1. Основные компоненты кортикального зрительного протеза. 1 – видеокамера, получающая изображение предмета, 2 – обработка изображения вычислительным устройством, 3 – электронный и программный блок, 4 – микроэлектродная матрица.

Основными вопросами, требующими решения в этой области зрительного протезирования являются: выбор смыслового поля кодирования, повышение контрастности изображения, разработка и улучшение компьютерных программ и математических алгоритмов для повышения полезности получаемого изображения при разном разрешении матриц и в случае выхода из строя нескольких электродов с нехваткой разрешения для качественной картинки.

Мозг-компьютерный интерфейс (МКИ)

Пожалуй, наиболее сложным компонентом для разработки кортикального зрительного протеза является стимулирующий компонент, так называемый мозг-компьютерный интерфейс ( BCI – brain - computer interface ), связующее звено между техникой и живой тканью, которое обеспечивает передачу информации от рецепторного компонента протеза к мозгу для его распознавания, принятия решения и ответной реакции на воспринятый стимул.

Основными вопросами, требующими ответа в разработке этого компонента кортикального зрительного протеза, являются:

• Какой оптимальный материал для изготовления МКИ? ( Robblee L . S ., 1986)
• Как повысить биосовместимость и долговечность имплантата?
• Как взаимодействует материал МКИ с тканями и средой мозга, и как снизить побочные эффекты этого взаимодействия?
• Какой должна быть форма микроэлектродов МКИ? ( Schuettler M ., 2005, Normann R ., 1999)
• Как избежать ремоделирования ткани мозга при имплантации МКИ?
• Какова предпочтительная локализация имплантата? (Базиян Б.Х. и соавт., 2005а).

По мере изучения и разработки кортикального зрительного протеза возникают все новые вопросы, которые необходимо решить для создания функционально полезного КЗП (Базиян Б.Х., Гребенников Е.П., 2001). Необходима разработка лабораторных моделей разных степеней сложности для оценки эффективности и функциональности разрабатываемых устройств МКИ.

Основными материалами для изготовления микроэлектродов с целью применения их в системе зрительного сенсорного протеза являются оксид кремния ( SiO 2 ), нитрат кремния ( Si 3 N 4 ), платина ( Pt ), иридий ( Ir ), титан ( Ti ), цирконий ( Zr ) их сплавы и другие.

Не прекращаются поиски новых более безопасных и эффективных материалов. Разрабатываются ультрананокристаллические алмазные пленки (Xiao X . et al ., 2006), которые защищают поверхность микроэлектродов от коррозии и практически не влияют на эффективность стимуляции. Нанотехнологии для ультратонкого покрытия микроэлектродов позволят использовать значительно более широкий диапазон применимых материалов, в том числе и графит для изготовления микроэлектродов, которые являются более биосовместимыми, чем сплавы металлов. Также ведется поиск биологических и полубиологических материалов, которые могли бы служить МКИ компонентом протеза.

Параметры функционально эффективной стимуляции

В разработке зрительного фосфенного протеза одной из трудностей, ведущих к развитию побочных явлений, является тот факт, что площадь активации ткани больше площади воздействия тока.

Активация одного пирамидного нейрона зрительной коры может вызвать ответ, если активировать его трейном наноамперных импульсов. Основываясь на свойствах возбудимости прямо стимулируемых элементов V 1, предполагается, что элементы, которые вызывают фосфены, состоят в основном из больших пирамидных волокон, которые находятся в глубоких слоях V 1, где фосфены можно вызвать, применяя наименьшие токи. Известно, что самые глубокие слои V 1 макак содержат гигантские пирамидные нейроны, и что эти нейроны объединены в модули, которые лежат перпендикулярно поверхности коры и расстояние между ними около 30 мкм. Чтобы активировать один из этих пирамидных модулей помещенным в глубину электродом, току необходимо распространиться на 15 мкм.

Используя наноамперные токи для активации фовеальной V 1 можно вызвать фосфен размером в 1 колбочку, то есть разрешением приблизительно в 1 минуту.

При силе тока больше 10 мкА стимуляция в зоне фовеа вызывает фосфен размером с доли градуса зрительного поля и около 3-х градусов зрительного поля при стимуляции в периферической зоне. При силе тока меньше 10 мкА по данным Schmidt E . M ., (1996) появляется четкое разделение фосфенов на цвета – красный, желтый, голубой.

В табл. 3. указаны пороги стимуляции, вызывающие ответ, при локализации микроэлектродов на различных уровнях зрительной системы. Таблица составлена на основе данных, полученных из литературных источников.

Зона коры V 1 состоит из нейронов, которые отвечают за контраст, цвет, глубину, ориентацию, движение зрительного стимула. Максимальный ответ клетки зоны V 1 наблюдается в том случае, когда стимул действует в пределах рецептивного поля. Но даже на самых низких токах, вызывающих фосфены - 1,9 мкА активируются не один, а несколько десятков нейронов (около 75 клеток) и они индуцируют фосфен ( Tehovnik E . J ., 2002).

Табл. 3. Пороги эффективных параметров стимуляции для индукции зрительных ощущений для разных типов зрительных протезов. D – диаметр электрода, ДИ – длительность импульса, ПЗ –плотность заряда. S пов – площадь поверхности электродов.

Адаптация и обучение пользованию кортикальным зрительным протезом

Все вопросы, касающиеся разработки кортикального зрительного протеза, были бы сопряжены с непреодолимыми трудностями, если бы мозг человека не обладал пластичностью и способностью к обучению (Базиян и соавт., 1999, Базиян и соавт., 2008). Дело в том, что вначале использования КЗП фосфены, которые возникают в поле зрения, не вполне точно отражают существо объекта. Но со временем, после определенного периода обучения объекты распознаются (формы объектов) все четче и быстрее, происходит процесс распознавания уже предъявлявшихся ранее стимулов, в том числе и букв, что позволит читать. На рис. 2 схематически представлен процесс обучения со временем распознавать фигуру домика. Основными критериями функциональной полезности КЗП являются способность читать и распознавать лица людей с его помощью, а также ориентироваться в пространстве.

Рис. 2. Процесс обучения распознавания объекта с помощью КЗП.

Так, в эксперименте, проведенном Dobelle W . H ., (2000) на добровольце, процесс адаптации к КЗП имел довольно выраженные черты. Если вначале при стимуляции микроэлектродов в ответ на предъявление таблички с написанными буквами исследуемый отмечал появление вспышек в поле зрения в хаотичном порядке, то со временем он довольно четко отличал английскую букву “ U ” от всех остальных, предъявляемых ему.

Кроме того, благодаря пластичности мозга и способности его к обучению нет столь жесткой необходимости имплантировать МКИ в соответствии с картой ретинотопической организации зрительной системы. Безусловно, этой картой определяется общее месторасположение при имплантации МЭМ, однако появляется возможность имплантировать МЭМ с учетом анатомии сосудистого русла, что значительно снижает риски побочных эффектов и осложнений в результате имплантации. На рис. 3 показан процесс имплантации 152 микроэлектродов обезьяне с учетом анатомического расположения сосудов, чтобы избежать кровотечения.

Рис. 3. Имплантация микроэлектродов в зрительную кору с учетом анатомии сосудов. ( Bradley D .C ., Troyk P R ., 2005 ).

Проводимые эксперименты для разработки кортикального зрительного протеза

На разных этапах разработки кортикального зрительного протеза применяются различные лабораторные животные от мышей до приматов, эксперименты на культурах клеток и тканей in vitro , компьютерные модели и психофизические эксперименты с участием здоровых зрячих добровольцев.

При проверке биосовместимости имплантатов обычно используют крыс и мышей. При проведении экспериментов в зависимости от задач исследования лабораторное животное должно соответствовать требованиям, необходимым для проверки гипотезы исследования. В морфологических экспериментах и отработке методики имплантации используют свиней, лошадей, кроликов, собак, морских свинок, крыс и других животных ( Chowdhury V ., 2005). При изучении функциональной пригодности имплантируемого КЗП в высокоорганизованных животных необходима обучаемость животного и способность выработать условный поведенческий рефлекс, кроме того, необходима схожая структурно-функциональная организация зрительной системы с таковой у человека, невысокая стоимость и легкость в содержании животного (Базиян Б.Х. и соавт., 2005).

Разработке поведенческих экспериментов для оценки работоспособности кортикального зрительного протеза уделяется много внимания в литературе. Самыми ценными являются данные, полученные с участием людей с имплантированным КЗП, однако таких данных немного и они труднодоступны. Среди работ о создании животной нейрофизиологической поведенческой модели для проверки работоспособности кортикального зрительного протеза преобладают работы Tehovnik E . J . по изучению саккадических движений глаз у макаки. Главной задачей поведенческих экспериментов является проверка кортикального зрительного протеза на функциональность, то есть на способность вызывать фосфены (Базиян Б.Х. и соавт., 2007). Фактически, кроме экспериментов на приматах, поведенческих экспериментов на других животных, которые могли бы оценить способность имплантируемых МЭМ вызывать фосфены, не проводилось.

Необходимо выявить и изучить минимально необходимые и оптимальные параметры, которым должен соответствовать кортикальный зрительный протез. Некоторые психофизические модели на здоровых зрячих людях помогают решить вопросы создания протеза для незрячих.

Основными вопросами, на которые могут дать ответ симуляционные психофизические эксперименты, являются: (а) какая минимальная «матрица» микроэлектродов требуется для создания функционально полезного зрения; (б) при каком количестве точек фосфенного протеза возможно чтение текста; (в) при каком проценте «выбитых точек» (моделирование вышедших из строя микроэлектродов) чтение текста остается возможным и с какой скоростью; (г) при каком количестве точек в фосфенном протезе возможно распознавание знакомых лиц.

Какое количество точек требуется для создания точечного функционально полезного зрения пациентам с системой КЗП? Kichul Cha и Kenneth Horch (1990) фиксировали добровольцам систему, состоящую из камеры, охватывающей 1,70 поля зрения, являющейся единственным зрительным стимулом для испытуемых, и закрывали второй глаз. Основными целями эксперимента было ответить на вопросы: (1) насколько богатым может быть зрительное восприятие, вызванное фосфенами? (2) Насколько сложные зрительные задачи смогут решать испытуемые? (3) Какова зависимость зрительных функций от количества точек и расстояния между ними?

Результаты исследования показали, что при использовании маски с сеткой отверстий 10х10, острота зрения составляла 0,2 от остроты зрения испытуемого без прибора, а при разрешении 32х32 острота зрения приближалась к 1,0, и скорость чтения при использовании системы практически не отличалась от скорости чтения без нее. Зрительные функции стабилизируются при разрешении 25х25, то есть, минимальное количество электродов в КЗП составляет 625, что с учетом возможного со временем выхода из строя электродов, составит 1024 (32х32).

Психофизические особенности чтения с ограниченным числом точек изучали Fu L . et al . (2006) и Dagnelie G. et al. , (2006). Проверяли возможность адекватного чтения реципиентами будущих имплантатов КЗП путем симуляции у зрячих добровольцев. Изменяли размер точки, размер сетки, расстояние между точками, случайный процент выбитых точек и разрешение в серой шкале.

В результате при некоторых комбинированных параметрах скорость чтения достигала 30 – 60 слов в минуту. Точность и скорость чтения зависела от всех параметров. Точность чтения превышала 90% от исходной, если присутствовали, по крайней мере, три точки и процент выбитых точек не превышал 50%. Скорость чтения уменьшалась ниже 20 слов в минуту и правильность распознавания букв падала ниже 90%, если задавали низкий контраст сетки или охват ее был менее двух символов. Таким образом, если возможно ощущение отчетливых фосфенов, эти результаты предполагают, что протез с 16х16 электродами позволит читать текст.

Thompson R . W . et al ., (2003) исследовал возможности использования будущих КЗП с целью распознавать лица на модели симулированного точечного фосфенного зрения. Предъявлялись 4 фотопортрета, затем эти же лица представляли в виде квадратной точечной сетки, содержащей от 10х10 до 32х32 точки, разделенные промежутками. В эксперименте изменяли размер сетки, точек, ширину промежутка между ними, количество выбитых точек и уровень яркости серой шкалы относительно стандартного тестового состояния, всего 16 разных позиций. Полученные результаты показали, что скорость различения зависела от всех параметров. Значительное затруднение в распознавании наблюдалось, если более 70% точек были выбиты. Таким образом, Томпсон пришел к выводу, что надежное распознавание лица с помощью точечной сетки может быть достигнуто даже при наличии грубого зрительного протеза с малыми параметрами разрешения, что немаловажно для полезной функциональности при имплантации МЭМ с небольшим количеством микроэлектродов.

Перспективы развития кортикального зрительного протезирования

Основными направлениями в разработке КЗП являются повышение разрешающей способности матриц ( Perlin G . E . et al ., 2006), улучшение математических алгоритмов обработки изображения, доклиническая проверка безопасности и эффективности кортикального зрительного протеза, начало серийных экспериментов на добровольцах с целью получения дальнейших ценных сведений о функциональности, работоспособности и полезности кортикального зрительного протеза.

Параллельно ведутся исследования по поиску новых биологически совместимых способов стимуляции нейронов коры головного мозга для достижения задач полнофункционального зрительного протезирования с обработкой изображения в реальном времени. Перспективным представляется использование бактериородопсина для производства пленок, способных проводить первичную обработку зрительного сигнала, попадающего на нее, что повысит качество изображения при имплантации КЗП зрительного протеза и использует обратную связь, как и в интактном мозге, от коры к периферии.

Исследователи стремятся разработать такую систему имплантации при кортикальном зрительном протезировании, чтобы внешний модуль был максимально полно изолирован от внутреннего для избегания таких осложнений, как инфицирование мозга. Разрабатываются проекты по беспроводной стимуляции ткани мозга.

Важной составляющей в развитии протезирования зрения является создание организаций, проводящих обучение людей с кортикальным протезом пользованию этим прибором и их социальную адаптацию, а также разработка способов ремонта и/или замены вышедших из строя электродов.

Если заглянуть в будущее, когда кортикальное протезирование будет реализовано и внедрено в практику, то можно представить и дополнительные сервисы, услуги и возможности, которые откроются не только лишенным зрения людям, но и всем желающим. Кроме обработки изображения перед взором пациента можно посылать любую другую зрительную информацию, что даст возможность смотреть фильмы без монитора или DVD проигрывателя, а также камеру можно установить таким образом, что она будет обрабатывать изображение на все 360 градусов вокруг человека и т.д., что значительно расширит представление о возможностях человека и об окружающем пространстве.

Заключение к обзору литературы

Таким образом, технологическая и вычислительная база в совокупности с нашими знаниями о структурно-функциональной организации зрительной системы дают основательную надежду на возможность создания функционально эффективного подхода к зрительному протезированию с помощью кортикальной стимуляции.

На сегодняшний день определены основные требования, которым должен соответствовать разрабатываемый зрительный протез:

• он должен обеспечивать относительно простое независимое ориентирование в пространстве;
• устройство должно позволять читать печатный текст и, возможно, смотреть телевизор;
• он не обязательно должен быть панорамным или цветным, как у зрячих людей;
• необходима безопасность имплантации и использования зрительного протеза.

Другими вопросами в разработке КЗП кортикального зрительного протезирования являются усовершенствование программного обеспечения и разработанных математических алгоритмов для обработки параллельных каналов информации зрительного протеза; уменьшение разогревания ткани мозга и сетчатки большим количеством одновременно поступающих электрических импульсов на микроэлектроды протеза (так называемый kindling эффект, Tanaka T ., 1975); необходимость защиты материала МЭМ от агрессивной внутренней среды организма, приводящей к электролизу протеза.

Особенно важным является решение вопроса о снижении риска инфицирования материала, соединяющего внешнюю и внутреннюю части кортикального зрительного протеза.

Перспективной представляется разработка системы «плавающих электродов» для кортикального имплантата, которая должна быть подвижна относительно черепа, чтобы при минимальных изменениях в давлении ликвора не вызвать смещения кончиков микроэлектродов и тем самым не нарушить топографию вызываемых фосфенов.

Нельзя забывать о том, что необходимо проделать большую работу по подготовке сознания общества к идее осуществимости зрительного протезирования. Проблемы принятия обществом нейропротезирования зрения могут быть решены, тем более что предпосылки к тому есть и накапливаются удачные опыты применения протезов в других областях (пейсмейкеры, хронические имплантаты при неврологических болезнях и др.). Кроме зрительных функций, возможно протезирование и других органов чувств.

Зрительный протез также может служить моделью для изучения сетчатки, мозга и зрительных путей (Полянский В.Б., 2005), анализ особенностей работы зрительного протеза позволит глубже заглянуть в тайну зрения и мозга.

<< Вернуться к первой части литобзора

Далее >> Материалы и методы

Актуальность ::: Обзор литературы (ч.1) (ч.2) ::: Методы ::: Результаты ::: Обсуждение и выводы ::: Литература