Un nuovo impianto per non vedenti entra direttamente nel cervello

Potenziali d'azione neuronali Russ Juskalian

Allí, dice Bernardeta Gómez nel suo spagnolo nativo, indicando una grande linea nera che corre su un foglio di cartone bianco appoggiato a un braccio di fronte a lei. Là .

Non è esattamente un'impresa impressionante per una donna di 57 anni, tranne per il fatto che Gómez è cieco. E lei è stata così per oltre un decennio. Quando aveva 42 anni, la neuropatia ottica tossica ha distrutto i fasci di nervi che collegano gli occhi di Gómez al suo cervello, rendendola totalmente priva di vista. Non è nemmeno in grado di rilevare la luce.

Ma dopo 16 anni di oscurità, a Gómez è stata concessa una finestra di sei mesi durante i quali poteva vedere una parvenza del mondo a bassissima risoluzione rappresentata da punti e forme bianco-gialli luminosi. Ciò è stato possibile grazie a un paio di occhiali modificati, oscurati e dotati di una minuscola fotocamera. L'aggeggio è collegato a un computer che elabora un feed video dal vivo, trasformandolo in segnali elettronici. Un cavo sospeso al soffitto collega il sistema a una porta incorporata nella parte posteriore del cranio di Gómez, collegata a un impianto di 100 elettrodi nella corteccia visiva nella parte posteriore del suo cervello.

Bernardeta Gómez indossa gli occhiali con le telecamere. Sfortunatamente, non ha più l'impianto cerebrale, che è ancora un dispositivo temporaneo. Russ Juskalian

Usando questo, Gómez ha identificato plafoniere, lettere, forme base stampate su carta e persone. Ha persino giocato a un semplice gioco per computer simile a Pac-Man convogliato direttamente nel suo cervello. Quattro giorni alla settimana per tutta la durata dell'esperimento, Gómez è stata condotta in un laboratorio dal marito vedente e collegata al sistema.

Il primo momento di visione di Gómez, alla fine del 2018, è stato il culmine di decenni di ricerca di Eduardo Fernandez, direttore di neuroingegneria presso l'Università di Miguel Hernandez, a Elche, in Spagna. Il suo obiettivo: restituire la vista al maggior numero possibile dei 36 milioni di non vedenti nel mondo che desiderano vedere di nuovo. L'approccio di Fernandez è particolarmente eccitante perché bypassa l'occhio e i nervi ottici.

Ricerche molto precedenti hanno tentato di ripristinare la vista creando un occhio artificiale o una retina. Ha funzionato, ma la stragrande maggioranza dei ciechi, come Gómez, ha danni al sistema nervoso che collega la retina alla parte posteriore del cervello. Un occhio artificiale non risolverà la loro cecità. Ecco perché nel 2015 la società Second Sight, che ha ricevuto l'approvazione per la vendita di una retina artificiale in Europa nel 2011 e negli Stati Uniti nel 2013 per una malattia rara chiamata retinite pigmentosa, ha spostato due decenni di lavoro dalla retina alla corteccia . (Second Sight dice che poco più di 350 persone stanno usando il suo impianto retinico Argus II.)

Durante una recente visita che ho fatto a Elche, costellata di palme, Fernandez mi ha detto che i progressi nella tecnologia implantare e una comprensione più raffinata del sistema visivo umano gli hanno dato la sicurezza di andare direttamente al cervello. Le informazioni nel sistema nervoso sono le stesse informazioni che si trovano in un dispositivo elettrico, dice

Ripristinare la vista alimentando i segnali direttamente al cervello è ambizioso. Ma i principi alla base sono stati utilizzati negli impianti umano-elettronici nella medicina tradizionale per decenni. In questo momento, spiega Fernandez, abbiamo molti dispositivi elettrici che interagiscono con il corpo umano. Uno di questi è il pacemaker. E nel sistema sensoriale abbiamo l'impianto cocleare.

Eduardo Fernandez Russ Juskalian

Quest'ultimo dispositivo è la versione uditiva della protesi costruita da Fernandez per Gómez: un microfono esterno e un sistema di elaborazione che trasmette un segnale digitale a un impianto nell'orecchio interno. Gli elettrodi dell'impianto inviano impulsi di corrente ai nervi vicini che il cervello interpreta come suono. L'impianto cocleare, che è stato installato per la prima volta in un paziente nel 1961, consente a oltre mezzo milione di persone in tutto il mondo di conversare come una parte normale della vita quotidiana.

Berna è stata la nostra prima paziente, ma nei prossimi due anni installeremo impianti in altre cinque persone non vedenti, dice Fernandez, che chiama Gómez per nome. Avevamo fatto esperimenti simili sugli animali, ma un gatto o una scimmia non possono spiegare cosa sta vedendo.

Berna potrebbe.

Il suo esperimento ha preso coraggio. Per installare l'impianto è stato necessario un intervento chirurgico al cervello su un corpo altrimenti sano, sempre una procedura rischiosa. E poi ancora per rimuoverla sei mesi dopo, poiché la protesi non è approvata per un uso a lungo termine.

Convulsioni e fosfeni

Sento Gómez prima di vederla. La sua è la voce di una donna di circa dieci anni più giovane della sua età. Le sue parole sono misurate, la sua cadenza è perfettamente regolare e il suo tono è caldo, sicuro e costante.

Quando finalmente la vedo in laboratorio, noto che Gómez conosce la disposizione dello spazio così bene che ha a malapena bisogno di aiuto per navigare nel piccolo corridoio e nelle stanze annesse. Quando mi avvicino per salutarla, la faccia di Gómez inizialmente punta nella direzione sbagliata finché non la saluto. Quando allungo la mano per stringerle la mano, suo marito guida la sua mano nella mia.

Gómez è qui per una risonanza magnetica cerebrale per vedere come stanno le cose sei mesi dopo aver rimosso il suo impianto (hanno un bell'aspetto). È anche qui per incontrare un potenziale secondo paziente che è in città e nella stanza durante la mia visita. A un certo punto durante questo incontro, mentre Fernandez spiega come l'hardware si collega al teschio, Gómez interrompe la discussione, si piega in avanti e mette la mano del potenziale cliente dietro la testa, dove un tempo si trovava uno sbocco di metallo. Oggi non ci sono praticamente prove del porto. La chirurgia implantare è stata così tranquilla, dice, che è venuta in laboratorio il giorno successivo per essere collegata e iniziare gli esperimenti. Da allora non ha avuto problemi o dolore.

Gómez è stato fortunato. La lunga storia di esperimenti che hanno portato al suo impianto di successo ha un passato a scacchi. Nel 1929, un neurologo tedesco di nome Otfrid Foerster scoprì che avrebbe potuto suscitare un punto bianco nella visione di un paziente se avesse inserito un elettrodo nella corteccia visiva del cervello durante un intervento chirurgico. Ha soprannominato il fenomeno un fosfene. Da allora scienziati e autori di fantascienza hanno immaginato il potenziale di una protesi visiva da fotocamera a computer a cervello. Alcuni ricercatori hanno persino costruito sistemi rudimentali.

All'inizio degli anni 2000, l'ipotesi è diventata realtà quando un eccentrico ricercatore biomedico di nome William Dobelle ha installato una tale protesi nella testa di un paziente sperimentale.

Nel 2002, lo scrittore Steven Kotler ha ricordato con orrore di aver visto Dobelle accendere l'elettricità e un paziente cadere a terra contorcendosi in un attacco. La causa era la troppa stimolazione con troppa corrente: qualcosa, si scopre, non piace al cervello. Anche i pazienti di Dobelle avevano problemi con le infezioni. Eppure Dobelle ha commercializzato il suo ingombrante dispositivo come quasi pronto per l'uso quotidiano, completo di un video promozionale di un cieco che guida lentamente e in modo instabile in un parcheggio chiuso. Quando Dobelle morì nel 2004, anche la sua protesi.

A differenza di Dobelle, che ha proclamato una cura per i ciechi, Fernandez dice quasi costantemente cose come: Non voglio avere speranze e speriamo di avere un sistema che le persone possano usare, ma in questo momento stiamo solo conducendo i primi esperimenti .

Ma Gómez ha effettivamente visto.

Letto di chiodi

Se l'idea di base dietro la vista di Gómez - collegare una fotocamera a un cavo video nel cervello - è semplice, i dettagli non lo sono. Fernandez e il suo team hanno dovuto prima capire la parte della telecamera. Che tipo di segnale produce una retina umana? Per cercare di rispondere a questa domanda, Fernandez prende le retine umane da persone che sono morte di recente, le aggancia agli elettrodi, le espone alla luce e misura ciò che colpisce gli elettrodi. (Il suo laboratorio ha uno stretto rapporto con l'ospedale locale, che a volte chiama nel cuore della notte quando un donatore di organi muore. Una retina umana può essere mantenuta in vita solo per circa sette ore.) Il suo team utilizza anche l'apprendimento automatico per abbinare il uscita elettrica di retina a semplici input visivi, che li aiuta a scrivere software per imitare automaticamente il processo.

Il prossimo passo è prendere questo segnale e consegnarlo al cervello. Nella protesi costruita da Fernandez per Gómez, una connessione cablata corre a un comune neuro-impianto noto come array Utah, che è appena più piccolo della punta rialzata sull'estremità positiva di una batteria AAA. Dall'impianto sporgono 100 minuscole punte di elettrodi, ciascuna alta circa un millimetro: insieme sembrano un letto di chiodi in miniatura. Ciascun elettrodo può fornire una corrente da uno a quattro neuroni. Quando l'impianto viene inserito, gli elettrodi perforano la superficie del cervello; quando viene rimosso, nei fori si formano 100 minuscole goccioline di sangue.

L'array impiantato ha 100 elettrodi e assomiglia a un minuscolo letto di chiodi. Fernandez

Fernandez ha dovuto calibrare un elettrodo alla volta, inviandogli correnti sempre più forti fino a quando Gómez non ha notato quando e dove ha visto un fosfene. La composizione di tutti i 100 elettrodi ha richiesto più di un mese.

Il vantaggio del nostro approccio è che gli elettrodi dell'array sporgono nel cervello e si trovano vicino ai neuroni, dice Fernandez. Ciò consente all'impianto di produrre la vista con una corrente elettrica molto inferiore a quella necessaria nel sistema di Dobelle, il che riduce drasticamente il rischio di convulsioni.

Il grande svantaggio della protesi, e il motivo principale per cui Gómez non ha potuto tenere la sua oltre i sei mesi, è che nessuno sa quanto tempo possono durare gli elettrodi senza degradare l'impianto o il cervello dell'utente. Il sistema immunitario del corpo inizia ad abbattere gli elettrodi e li circonda di tessuto cicatriziale, che alla fine indebolisce il segnale, dice Fernandez. C'è anche il problema degli elettrodi che si flettono mentre qualcuno si muove. A giudicare dalla ricerca sugli animali e da una prima occhiata all'array utilizzato da Gómez, suppone che l'attuale configurazione potrebbe durare da due a tre anni, e forse fino a 10 prima che fallisca. Fernandez spera che alcune piccole modifiche lo estenderanno a pochi decenni, un prerequisito fondamentale per un pezzo di hardware medico che richiede un intervento chirurgico al cervello invasivo.

Alla fine, la protesi, come un impianto cocleare, dovrà trasmettere il suo segnale e alimentarsi in modalità wireless attraverso il cranio per raggiungere gli elettrodi. Ma per ora, il suo team ha finora lasciato la protesi cablata per gli esperimenti, fornendo la massima flessibilità per continuare ad aggiornare l'hardware prima di stabilire un progetto.

A 10 pixel per 10 pixel, che è all'incirca la massima risoluzione potenziale che l'impianto di Gómez potrebbe rendere, si possono percepire forme di base come lettere, uno stipite di una porta o un marciapiede. Ma i contorni di un viso, per non parlare di una persona, sono molto più complicati. Ecco perché Fernandez ha potenziato il suo sistema con un software di riconoscimento delle immagini per identificare una persona in una stanza e trasmettere uno schema di fosfeni al cervello di Gómez che ha imparato a riconoscere.

A 25 x 25 pixel, Fernandez scrive in una diapositiva che gli piace presentare, la visione è possibile. E poiché l'array Utah nella sua forma attuale è così piccolo e richiede così poca energia per funzionare, Fernandez afferma che non c'è motivo tecnico per il suo team non potrebbe installare da quattro a sei su ciascun lato del cervello, offrendo una visione a 60 x 60 pixel o più alto. Tuttavia, nessuno sa quanto input il cervello umano può ricevere da tali dispositivi senza essere sopraffatto e visualizzare l'equivalente della neve della TV.

Cosa sembra

Fernandez e il suo dottorando con una fotocamera prototipo collegata al computer. Russ Juskalian

Gómez mi ha detto che avrebbe mantenuto l'impianto installato se le fosse stata data la possibilità di scegliere e che sarebbe stata la prima in linea se fosse disponibile una versione aggiornata. Quando Fernandez avrà finito di analizzare il suo assortimento, Gómez ha intenzione di incorniciarlo e appenderlo alla parete del suo soggiorno.

Tornato nel laboratorio di Fernandez, si offre di collegarmi a un dispositivo non invasivo che usa per lo screening dei pazienti.

Seduto sulla stessa sedia di pelle occupata da Gómez durante l'esperimento rivoluzionario dell'anno scorso, aspetto che un neurologo tenga una bacchetta con due anelli contro il lato della mia testa. Il dispositivo, chiamato bobina a farfalla, è collegato a una scatola che eccita i neuroni nel cervello con un potente impulso elettromagnetico, un fenomeno chiamato stimolazione magnetica transcranica. La prima esplosione è come se qualcuno mi stesse scioccando il cuoio capelluto. Le mie dita si arricciano involontariamente nei miei palmi. Guarda, ha funzionato! dice Fernandez, ridacchiando. Quella era la tua corteccia motoria. Ora cercheremo di darvi alcuni fosfeni.

Il neurologo riposiziona la bacchetta e imposta la macchina per una rapida serie di impulsi. Questa volta quando spara, mi sento intensa zzp-zzp-zzp , come se qualcuno stesse usando la parte posteriore del mio cranio come battiporta. Poi, anche se i miei occhi sono spalancati, vedo qualcosa: una linea orizzontale luminosa lampeggia al centro del mio campo visivo, insieme a due triangoli scintillanti pieni di quella che sembra la neve della TV. La visione svanisce non appena è arrivata, lasciando un breve bagliore residuo.

Questo è come quello che Berna poteva vedere, dice Fernandez. Solo che la sua vista del mondo era stabile fintanto che il segnale veniva trasmesso al suo cervello. Poteva anche girare la testa e, con gli occhiali addosso, guardarsi intorno per la stanza. Quello che avevo visto erano semplicemente fantasmi interni di un cervello eccitato elettricamente. Gómez potrebbe davvero raggiungere e toccare il mondo che stava guardando per la prima volta in 16 anni.

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