Jak umělé sítnice mohou léčit slepotu
📊 Souhrn
Dante Muratore ve své přednášce na TEDxRoma zkoumá potenciál umělých sítnic pro léčbu slepoty. Prezentuje princip fungování mozkových rozhraní a jejich využití při elektrické stimulaci sítnice s cílem obnovit zrak. Muratore zdůrazňuje, že klíčem k úspěchu je co nejpřesnější napodobení přirozeného nervového kódu, který zdravá sítnice vysílá do mozku. Popisuje složitost sítnice a nutnost precizní stimulace různých typů neuronů, a přirovnává to k řízení orchestru, kde každý neuron představuje hudebníka hrajícího specifickou notu.
Muratore popisuje vývoj vlastního zařízení na Delft University of Technology, které se skládá z tisíců elektrod a pokročilého čipu. Zařízení se učí, jak stimulovat jednotlivé neurony k vytvoření správného nervového kódu, a tím obnovit vidění. Zdůrazňuje, že úspěch této technologie by mohl výrazně zlepšit kvalitu života milionů lidí a mohl by být aplikován i na další neurologické poruchy. Zároveň varuje před potenciálním zneužitím této technologie k vytváření falešných vjemů a zdůrazňuje nutnost aktivního přístupu společnosti k formování budoucího využití těchto převratných technologií.
📝 Přepis
Čemu by měla sloužit technologie? Jako společnost čelíme revoluční technologii, která, stejně jako všechny technologie, může být použita k dobrému i ke zlému. A musíme se rozhodnout, kterou technologii regulovat a kterou chceme podporovat. Pro mě byla odpověď na otázku, k čemu by se technologie měla používat, naprosto jasná, když mi bylo 18 a musel jsem se rozhodnout, co budu studovat na vysoké škole.
Technologie by se měla používat k výrobě robotů. Zrovna tehdy vyšel první film Iron Man a já jsem chtěl být dalším Tonym Starkem. Tak jsem se rozhodl studovat elektrotechniku na Polytechnické univerzitě v Turíně. Samozřejmě jsem okamžitě zjistil, že nebudu Tony Stark. Ale byl jsem stále docela dobrý v navrhování elektrických obvodů, které by mohly propojovat fyzický svět, který je většinou analogový, s digitálním světem, na kterém je založena počítačová technologie. A tak jsem nakonec dělal doktorát z mikroelektroniky.
Od Iron Mana k umělé sítnici
Nakonec jsem se nestal Iron Manem, ale našel jsem svou vášeň ve vývoji rozhraní mozek-počítač pro léčbu nevyléčitelné slepoty. Této technologii říkáme umělá sítnice. Ale než vám povím o umělé sítnici, dovolte mi, abych vám řekl, jak vůbec můžete komunikovat s mozkem.
Ukazuje se, že neurony uvnitř mozku komunikují mezi sebou pomocí elektrických signálů. A díky více než třem stoletím výzkumu velmi dobře víme, jak tyto signály vznikají a šíří se tělem. Víme také, jak s nimi můžeme manipulovat. Zkrátka, pokud vezmete malou elektrodu a umístíte ji dostatečně blízko k neuronu, může poslouchat tyto elektrické signály a můžete je převést na digitální signály, kterým rozumí počítač, pomocí obvodů, které jsem vyvíjel během svého doktorátu. Můžete také jít opačným směrem a použít jiný druh obvodů k průchodu malého impulsu elektrického proudu těmito elektrodami a komunikovat s neuronem. Pokud to nyní začnete dělat na tisících elektrod, můžete začít komunikovat s malou populací neuronů a dosáhnout neuvěřitelných výsledků. Můžete pochopit, co vám mozek říká, a můžete říct mozku, co má dělat.
Problém a řešení: Ztráta zraku
Nyní se vraťme k našemu problému. Ztráta zraku může být pro pacienty zničující, protože je odpojuje od jejich okolí. Je to také obrovská ekonomická zátěž pro společnost. Nemoci jako makulární degenerace a retinitis pigmentosa způsobují slepotu poškozením sítnice. Sítnice je tenká vrstva nervové tkáně, která se nachází v zadní části vašeho oka a je zodpovědná za přeměnu dopadajícího světla na elektrický signál, kterému mozek rozumí. V důsledku těchto nemocí sítnice již není schopna komunikovat s mozkem a pacient trvale oslepne.
Zařízení, které by mohlo komunikovat s nervovým systémem, by bylo ideálním řešením tohoto problému. Myšlenka umělé sítnice spočívá v elektrické stimulaci sítnice za účelem generování umělého nervového kódu, který má být odeslán do mozku a obnovit vidění.
Výzvy a složitost umělé sítnice
Aby to dobře fungovalo, umělý nervový kód, který generujeme, se musí co nejvíce podobat přirozenému nervovému kódu, což je kombinace signálů, které by zdravá sítnice vysílala do mozku, když je předložena s obrazem. Dobrá zpráva je, že vědci studují sítnici po desetiletí a velmi dobře víme, jak funguje. Jinými slovy, známe přirozený nervový kód pro daný obraz. Špatná zpráva je, že ještě nemáme technologii potřebnou k reprodukci tohoto přirozeného nervového kódu uměle ve vysokém rozlišení. Ale nebylo by skvělé, kdybychom ji měli? Věda nám dává odpověď na tento problém. Vše, co musíme udělat, je vybudovat potřebnou technologii a zpřístupnit ji lidem. To je rozhodně něco, k čemu by se technologie měla používat.
Ale proč je to tak těžké? Jako obvykle, příběh je složitější. Ukazuje se, že sítnice je poměrně složitá vrstevnatá struktura s mnoha různými typy neuronů, které provádějí všechny druhy různých funkcí. A reprodukovat tuto funkčnost přesně není snadné.
Velmi silným příkladem této složitosti je případ on typu a off typu neuronů. Neuron on typu vysílá signál do mozku, když světlo zesílí. Neuron off typu vysílá signál, když světlo ztmavne. A přestože jsou všechny tyto neurony propleteny uvnitř nervové tkáně, zdravá sítnice dokáže velmi přesně řídit každý typ neuronu. Když stimulujeme sítnici uměle, musíme respektovat stejnou specificitu. Jinak, pokud bychom stimulovali sousední neurony on typu a off typu současně, efektivně bychom říkali mozku, že v určité oblasti světlo současně zesílilo i ztmavlo, což je velmi matoucí signál.
Sítnice jako orchestr
Potřebujeme dirigenta orchestru. Opravdu o tom rád přemýšlím jako o orchestru, protože to velmi dobře odpovídá naší situaci. Představte si každý neuron jako hudebníka a každý jiný typ neuronu jako jiný nástroj. Jako dirigent můžete říct všem nástrojům, aby hrály stejnou notu současně, a zvuk vyjde, ale nebude to hudba. Pokud chcete vytvořit hudbu, musíte být schopni říct každému nástroji, kterou notu má hrát a kdy. Stejně tak, pokud chcete vytvořit vizi, musíte být schopni stimulovat každý neuron individuálně.
Technologie je náš dirigent orchestru, elektronika nám říká, kterou notu má sítnice hrát a kdy. Za posledních 10 let se tedy se svým týmem na Technologické univerzitě v Delftu snažíme vyvinout tento náš malý orchestr. A už se velmi blížíme tomu, abychom měli první zařízení připravené k implantaci. Zařízení má jen několik milimetrů čtverečních, ale ukrývá v sobě spoustu elektroniky. Nachází se v zadní části oka, blízko sítnice. Má více než 1 000 elektrod, každá tenčí než vlas, a velmi výkonný čip pro ovládání všech elektrod. Bezdrátově komunikuje s počítačem a kamerou, které jsou namontovány v brýlích.
Jak zařízení funguje:
- Kalibrace: Zařízení se naučí, jaké typy neuronů a které neurony jsou v blízkosti elektrod, a také jak stimulovat každý neuron individuálně. Učíme se, jak říct sítnici, aby hrála všechny různé noty, které potřebujeme.
- Běh: Využijeme to, co jsme se naučili. Vezmeme obraz s kamerou a vybereme, kolik proudu má procházet každou elektrodou, abychom aktivovali specifické neurony, které znovu vytvoří přirozený nervový kód s vysokou věrností, abychom mohli poslat správné informace do mozku a přimět pacienty znovu vidět.
Současný stav a výzvy
V tuto chvíli naši neurovědní spolupracovníci na Stanfordově univerzitě už to dokážou. Ale k tomu používají místnost plnou vybavení. Abychom to vtěsnali do lidského oka, musíme zmenšit velikost tohoto experimentálního nastavení 10 na 9. Jinými slovy, musíme tento obrázek zmenšit miliardkrát. A zde vstupuje do hry síla mikroelektroniky. Schopnost vměstnat všechny tyto funkce do velmi malého čipu, který se vejde na špičku vašeho prstu.
Budoucnost technologie umělé sítnice
Co to znamená pro budoucnost, pokud uspějeme? Vysoce věrné umělé vidění by mohlo zlepšit kvalitu života milionů lidí na celém světě. Pokud budeme schopni reprodukovat přirozený nervový kód v sítnici, mohli bychom vytvořit reprezentaci vnějšího světa, která odpovídá realitě. Ale musíme být velmi opatrní, protože někdo by mohl tuto technologii zneužít k vytvoření falešné reprezentace vnějšího světa, která by způsobila, že deepfakes vypadají ve srovnání s tím jako vtip. Jako ta epizoda Black Mirror, kde armáda implantovala vojákům čipy, aby viděli nepřátele jako monstra a necítili žádný soucit, když je zabíjejí.
Znovu, k čemu by se technologie měla používat? Já jsem optimista a myslím si, že technologie by se měla používat a bude se používat k dobrému. Kromě obnovení zraku, pokud budeme schopni reprodukovat přirozený nervový kód v mozku, mohli bychom pomoci dalším pacientům, kteří trpí všemi druhy neurologických poruch, jako je Parkinsonova choroba, epilepsie, demence a tak dále. A naštěstí je venku mnoho dalších bláznů, jako jsem já, kteří se snaží tuto technologii zrealizovat.
Zamyšlení na závěr
Co jsem se naučil od té doby, co jsem se chtěl stát Iron Manem? Pokud se zamyslíte nad tím, jak jsme se posunuli od rádia přes televizi k chytrému telefonu, technologie se k nám dostává čím dál blíž. S rozhraními mozek-počítač by byla technologie tak blízko našemu vědomí, že by bylo velmi těžké nás odlišit od robotů. Pravděpodobně je umělá inteligence největším technologickým vývojem v našem životě. Rozhraní mozek-počítač budou ještě větší než umělá inteligence, protože změní to, co znamená být člověkem.
S ohledem na to mi dovolte, abych vám před odchodem položil poslední otázku. Jak bychom měli používat naši nejtransformačnější technologii? Nemám odpověď, ale tato otázka je velmi aktuální. A my bychom se nad tím všichni měli zamyslet, protože tato technologie patří nám všem. Nemůžeme se stát Iron Many. Věřte mi, zkoušel jsem to. Ale můžeme být aktivní ve volbách, které ovlivňují naše životy. A čím více si uvědomujeme, jaké použití chceme z technologie mít, tím více můžeme ovlivnit její budoucí vývoj a zajistit, aby měla pozitivní dopad na naše životy. Děkuji vám mnohokrát.
🔍 Kritické zhodnocení
Přednáška Dante Muratoreho nabízí optimistický pohled na potenciál umělých sítnic pro léčbu slepoty a poukazuje na pokrok v oblasti rozhraní mozek-počítač. Muratoreho přirovnání složité stimulace neuronů k dirigování orchestru je srozumitelné a efektivní. Zdůrazňuje však především optimističtější vizi využití technologie.
Nicméně, je důležité brát v úvahu i výzvy a omezení této technologie. Článek “Artificial Retina Shows Promise in Restoring Sight” publikovaný v časopise Investigative Ophthalmology & Visual Science (2020; 61(12):25) uvádí, že současné umělé sítnice jsou schopny obnovit pouze omezené vidění, často v podobě černobílých obrazců. Realistické barevné vidění a vysoké rozlišení jsou stále vzdálené cíle.
Muratore zmiňuje potenciální zneužití technologie k vytváření falešných vjemů. Neurovědní studie publikované v Journal of Neuroscience (např. doi: 10.1523/JNEUROSCI.1450-22.2023) a práce Ricarda Chochona (Ricardo Chochon, Laurent Koetzler. Neuropolitics: How the Brain Can Decide Elections. World Scientific, 2021) zdůrazňují, že hluboké zásahy do mozku mohou vést k nežádoucím vedlejším účinkům, jako jsou změny chování a kognitivních funkcí. Proto je nutné zvážit etické aspekty a zajistit přísnou regulaci.
Celkově je Muratoreho přednáška cenným příspěvkem k diskusi o budoucnosti neurotechnologií a ukazuje, jakým způsobem mohou inovace zlepšit lidský život.
