Jens Naumann miał 17 lat, kiedy wypadek wysłał fragment metalu z linii kolejowej lecący w jego lewe oko. Trzy lata później metalowy odłamek ze sprzęgła skutera śnieżnego zniszczył jego prawe oko, pogrążając go w całkowitej ciemności. W książce „Search for Paradise” Naumann opowiada o swojej desperackiej drodze do światła, przede wszystkim jako „pacjent alfa” inżyniera biomedycznego Williama Dobelle. W latach 70-tych Dobelle wykazał, że elektryczna stymulacja wizualnych obszarów mózgu (kory wzrokowej) powodowała u ludzi postrzeganie plam świetlnych, czyli „fosfenów”

Celem inżyniera było opracowanie „bionicznego oka”. Aparat składałby się z zamontowanej na głowie kamery, która przekazywałaby obraz wideo do procesora komputerowego, który następnie wysyłałby sygnały elektryczne do elektrod wszczepionych w korę wzrokową, generując percepcje wzrokowe. Naumann stał się najsłynniejszym pacjentem Dobelle’a po wyjeździe do Portugalii na operację w 2002 roku; FDA zakazała tej procedury w USA jako nieudowodnionej pod względem bezpieczeństwa. Jego anegdotyczne relacje o postrzeganiu surowych konturów pozostały jedynym dowodem, że postrzeganie kształtów było możliwe przy użyciu takiego urządzenia, ponieważ dane z tych zabiegów nigdy nie zostały opublikowane. Urządzenie uległo degradacji po kilku miesiącach, a nowo odkryty świat wizualny Naumanna zanikł, ale kontynuował on kampanię przez lata, aby posunąć technologię naprzód.

Bardziej wyrafinowana wersja, która przybliża technologię do rutynowego praktycznego zastosowania u ludzi, została teraz zbudowana i przetestowana na małpach. Zespół kierowany przez neurobiologa Pietera Roelfsema, z Netherlands Institute for Neuroscience, zademonstrował percepcję pozycji, orientacji, ruchu i kształtów liter, w dwóch widzących małp. Badanie, opublikowane 3 grudnia w Science „jest technicznym tour de force”, mówi neurochirurg Daniel Yoshor, który nie był zaangażowany, ale był współautorem towarzyszącego komentarza. Urządzenie wymaga dalszego rozwoju, zanim będzie gotowe do użycia u ludzi, ale praca przybliża marzenie o przywróceniu wzroku ludziom, którzy go nie mają. Podejście jest jedynym możliwym leczeniem dla ludzi bez funkcjonujących komórek w oku – grupy, która obejmuje niektórych pacjentów z jaskrą i cukrzycą oraz tych, którzy doświadczyli urazu fizycznego.

W nowym badaniu, zespół użył 16 tablic, każda siatka 64 elektrod, w sumie 1024 elektrod. „W ten sposób stworzyliśmy interfejs z dużą częścią tej mapy przestrzeni wizualnej” – mówi Roelfsema. Kora wzrokowa posiada właściwość znaną jako „retinotopia”, co oznacza, że przestrzeń wizualna fizycznie mapuje się na obszary kory, pozwalając badaczom na generowanie zjawisk w określonych punktach przestrzeni. Seria eksperymentów wykazała, że małpy były w stanie zidentyfikować położenie pojedynczych fenomenów, orientację linii składających się z dwóch fenomenów oraz kierunek ruchu implikowany przez stymulację dwóch kolejnych. Wreszcie, małpy, które zostały przeszkolone do rozpoznawania liter, wydawały się być w stanie zidentyfikować litery wygenerowane z ośmiu do 15 fenomenów. Fosfeny zostały wygenerowane bez użycia kamer przez bezpośrednie stymulowanie elektrod, a małpy wskazały odpowiedzi za pomocą ruchów oczu.

Inne grupy pracują nad tym samym problemem, a jedna z nich już testuje urządzenia u ludzi. Kalifornijska firma, Second Sight, rozwija system o nazwie Orion na sześciu niewidomych ludziach w zatwierdzonym przez FDA badaniu klinicznym. Podobnie jak system Dobelle’a, Orion wykorzystuje elektrody, które siedzą na powierzchni mózgu, co pozwala uniknąć uszkodzenia tkanek i stanów zapalnych, które powstają podczas stosowania implantów „penetrujących”, co powoduje utratę wydajności w czasie. Wadą tej metody jest to, że wymagane prądy są stosunkowo wysokie, co ogranicza liczbę elektrod, które mogą być bezpiecznie stosowane. „Nie chcesz przecież wywoływać epilepsji” – mówi Roelfsema. W nowym badaniu przeprowadzonym przez grupę holenderską zastosowano elektrody penetrujące, które wymagają mniejszego natężenia prądu. „Użyliśmy cienkich igieł, dzięki czemu możemy aktywować tylko kilka komórek, przy stosunkowo łagodnym prądzie, sto razy mniejszym niż w przypadku elektrody powierzchniowej” – mówi Roelfsema. Co najważniejsze, nowe urządzenie ma znacznie wyższą rozdzielczość. Tam, gdzie nowy system ma 1024 elektrody, implant Orion ma ich 60, co ogranicza odbiorców do wykrywania obszarów ciemnych i jasnych.

Wizja, jaką może wygenerować to urządzenie, będzie prymitywna w porównaniu z bogactwem naturalnego widzenia, ale i tak zapewni znaczące korzyści. „Kiedy zaczynasz od niczego, 10, 20 procent jest gra zmienia”, mówi Neena Haider z Harvard Medical School, który nie był zaangażowany w pracę. „To daje ci okno do tego, jak poruszać się po świecie”. Ale przeszkody pozostają, zanim ta technologia ujrzy zastosowanie u ludzi. Po pierwsze, implanty muszą być bezprzewodowe – a inne grupy podejmują wysiłki w celu opracowania bezprzewodowych implantów mózgu. Kolejne kroki muszą również zmierzyć fizjologiczne konsekwencje penetracji implantów, mówi Haider. „Jakie reakcje komórkowe zachodzą w mózgu?” – pyta, odnosząc się zarówno do skutków ostrych, jak i długoterminowych. „Biokompatybilność” pozostaje problemem, ale rozwiązania mogą być w zasięgu ręki. „Współpracujemy z grupami, które opracowują cienkie, elastyczne elektrody”, wprowadzane do mózgu za pomocą prętów, które są następnie wycofywane, mówi Roelfsema. „Pierwsze wrażenia są takie, że te nowe materiały są bardzo stabilne, ale jest jeszcze wiele do zrobienia.”

Bliższe zrozumienie jak mózg przetwarza informacje wizualne również pomoże. „Istnieje wyzwanie związane ze sprzętem i oprogramowaniem” – mówi Yoshor. „Czasami ludzie zaniedbują element oprogramowania, czyli to, w jaki sposób stymulujemy mózg”. Yoshor jest jednym z dwóch neurochirurgów, którzy wszczepili Oriona pacjentom, a on i koledzy niedawno opublikowali badanie badające jego możliwości. „Łatwo jest sprawić, by pacjenci widzieli plamki” – mówi Yoshor. „Ale kiedy próbujemy je połączyć, jak światła stadionowe, znacznie trudniej jest skłonić pacjentów do postrzegania spójnej formy”. Zespół badawczy zastanawiał się, czy wykorzystanie skłonności mózgu do wykrywania zmian w stymulacji mogłoby pomóc. „Jeśli stymulowaliśmy sześć elektrod jednocześnie, pacjenci widzieli niespójne plamy” – mówi Yoshor. „Ale kiedy stymulowaliśmy cały mózg, pacjenci natychmiast wykrywali formy wizualne lub litery.”

Przetwarzanie wykonywane przez system wizualny jest niezwykle złożone, ale głębsze zrozumienie tego przetwarzania, wraz z bardziej wyrafinowanymi technologiami stymulacji, będzie nadal rozwijać te urządzenia. Yoshor porównuje ten problem do grania muzyki. „To jak różnica między graniem akordu a waleniem pięścią w fortepian” – mówi. „Jeśli wprowadzasz informacje w sposób prymitywny, tworzysz kakofonię; trzeba to robić w sposób muzyczny.”

.