Моделирование, сравнивающее различные конфигурации электродных решеток. Источник: Scientific Reports (2024). DOI: 10.1038/s41598-024-65337-1
Недавно Илон Маск заявил, что следующим проектом Neuralink станет кортикальный имплантат «Blindsight» для восстановления зрения: «Разрешение сначала будет низким, как у ранней графики Nintendo, но в конечном итоге может превзойти нормальное человеческое зрение».
К сожалению, это утверждение основано на заблуждении, что нейроны в мозге подобны пикселям на экране. Неудивительно, что инженеры часто предполагают, что «больше пикселей — лучше зрение». В конце концов, именно так работают мониторы и экраны телефонов.
В нашем недавно опубликованном исследовании мы создали вычислительную модель человеческого зрения, чтобы смоделировать, какое зрение может обеспечить кортикальный имплантат с чрезвычайно высоким разрешением. Фильм о кошке с разрешением 45 000 пикселей четкий и ясный. Фильм, созданный с использованием упрощенной версии модели из 45 000 кортикальных электродов, каждый из которых стимулирует один нейрон, все еще имеет узнаваемую кошку, но большинство деталей сцены теряются.
Фильм слева создан с использованием 45 000 пикселей. Фильм справа создан с использованием симуляции коркового протеза с 45 000 электродов, каждый из которых стимулирует один нейрон.
Причина, по которой фильм, сгенерированный электродами, такой размытый, заключается в том, что нейроны в зрительной коре человека не представляют собой крошечные точки или пиксели. Вместо этого у каждого нейрона есть определенное рецептивное поле, которое является местоположением и рисунком, которые должен иметь визуальный стимул, чтобы заставить этот нейрон активироваться. Электрическая стимуляция одного нейрона создает пятно, внешний вид которого определяется рецептивным полем этого нейрона. Самый маленький электрод — тот, который стимулирует один нейрон — создаст пятно размером примерно с ширину вашего мизинца на расстоянии вытянутой руки.
Подумайте, что происходит, когда вы смотрите на одну звезду в ночном небе. Каждая точка в пространстве представлена многими тысячами нейронов с перекрывающимися рецептивными полями. Крошечная точка света, такая как звезда, приводит к сложному рисунку активации во всех этих нейронах.
Чтобы создать визуальный опыт наблюдения за одной звездой с помощью стимуляции коры головного мозга, вам необходимо воспроизвести схему нейронных реакций, которая похожа на схему, которая была бы создана естественным зрением.
Для этого вам, очевидно, потребуются тысячи электродов. Но вам также потребуется воспроизвести правильный образец нейрональных реакций, что требует знания рецептивного поля каждого нейрона. Наше моделирование показывает, что знания местоположения рецептивного поля каждого нейрона в пространстве недостаточно — если вы также не знаете ориентацию и размер каждого рецептивного поля, тогда звезда превратится в нечеткую мешанину.
Итак, Даже одна звезда — один яркий пиксель — вызывает чрезвычайно сложную нервную реакцию в зрительной коре. Представьте себе еще более сложную схему корковой стимуляции, необходимую для точного воспроизведения естественного зрения.
Некоторые ученые предположили, что, стимулируя точно правильную комбинацию электродов, можно было бы получить естественное зрение. К сожалению, никто еще не предложил разумного способа определения рецептивного поля каждого отдельного нейрона у конкретного слепого пациента. Без этой информации невозможно увидеть звезды. Зрение от кортикальных имплантатов останется зернистым и несовершенным, независимо от количества электродов.
Восстановление зрения — это не просто инженерная проблема. Чтобы предсказать, какое зрение обеспечит устройство, необходимо знать, как технология взаимодействует со сложностями человеческого мозга.
Как мы создали наших виртуальных пациентов
В нашей работе в качестве вычислительных нейробиологов мы разрабатываем симуляции, которые предсказывают перцептивный опыт пациентов, стремящихся восстановить свое зрение.
Ранее мы создали модель для прогнозирования перцептивного опыта пациентов с ретинальным имплантатом. Чтобы создать виртуального пациента для прогнозирования того, что увидят пациенты с кортикальным имплантатом, мы смоделировали нейрофизиологическую архитектуру области мозга, участвующей в первой стадии визуальной обработки. Наша модель приблизительно описывает, как рецептивные поля увеличиваются в размере от центрального к периферическому зрению, и тот факт, что каждый нейрон имеет уникальное рецептивное поле.
Наша модель успешно предсказала данные, описывающие перцептивный опыт участников в широком спектре исследований по стимуляции коры головного мозга у людей. Подтвердив, что наша модель может предсказывать существующие данные, мы использовали ее для прогнозирования качества зрения, которое могут обеспечить возможные будущие корковые имплантаты.
Модели, подобные нашей, являются примером виртуального прототипирования, которое подразумевает использование компьютерных систем для улучшения дизайна продукта. Эти модели могут способствовать разработке новых технологий и оценке производительности устройств. Наше исследование показывает, что они также могут предложить более реалистичные ожидания относительно того, какое зрение могут обеспечить бионические глаза.
Сначала не навреди
За почти 20 лет исследований бионических глаз мы увидели, как сложность человеческого мозга побеждает компанию за компанией. Пациенты платят цену, когда эти устройства выходят из строя, оставаясь с бесхозными технологиями в своих глазах или мозге.
Управление по контролю за продуктами и лекарствами может потребовать, чтобы компании, занимающиеся технологиями восстановления зрения, разработали планы действий на случай сбоя, которые минимизируют вред для пациентов, когда технологии перестают работать. Возможные варианты включают требование к компаниям, имплантирующим нейроэлектронные устройства пациентам, участвовать в соглашениях о депонировании технологий и иметь страховку для обеспечения непрерывной медицинской помощи и технологической поддержки в случае их банкротства.
Если кортикальные имплантаты смогут достичь хоть чего-то близкого к разрешению наших симуляций, это все равно будет достижением, которое стоит отпраздновать. Зернистое и несовершенное зрение изменило бы жизнь многих тысяч людей, которые в настоящее время страдают от неизлечимой слепоты. Но сейчас время для осторожного, а не слепого оптимизма.
Информация журнала: Научные отчеты, предоставленные The Conversation
