Stymulowanie kory wzrokowej

Oczywiście, wzrok jest czymś więcej niż pierwszorzędowa kora wzrokowa. Wiele przetwarzania zachodzi w nerwach i szlakach przenoszących informację do kory. Po utworzeniu podstawowego wizerunku jest on wysyłany do wyższych obszarów kory wzrokowej do dalszego przetwarzania, a więc dwuwymiarowy obraz otrzymuje kształt, zacienienie, ruch, odległość, trójwymiarowość i ostatecznie, znaczenie. Miejmy nadzieję jednak, że nie będziemy musieli martwić się o wszystkie te wyższe poziomy przetwarzania, ponieważ kiedy obraz zostanie zaprezentowany pierwszorzędowej korze wzrokowej, reszta powinna odbyć się sama.

Jak dotąd badacze próbowali stymulować korę wzrokową przy pomocy zestawu elektrod albo na czaszce, albo wszczepionych na powierzchni mózgu. Badani z elektrodami na powierzchni mózgu często i tak mieli umieszczane tam elektrody jako część ich terapii przeciwko padaczce. Właściwie pierwszy raz zostało to zrobione w 1968 roku przez dra Gilesa Brindley’a. Potem dr William Dobelle, zainspirowany tym wstępnym badaniem, przeprowadził obszerne badania stymulowania kory wzrokowej w latach 1970., żeby zobaczyć, czy można przywrócić niewidomym pewien zakres widzenia. W rzeczywistości więc te badania trwają już od ponad pół wieku. Entuzjaści, którzy słyszeli o tym badaniu w latach 1970., byliby prawdopodobnie rozczarowani, że dokonano tak niewielkiego postępu przez 50 lat – nadal mozolimy się, by badani mogli zobaczyć podstawowe kształty przez stymulowanie ich kory wzrokowej.

Co poszło źle? Dlaczego postęp był tak powolny? Sądzę, że podstawową przyczyną jest technologia. We wszystkich tych badaniach używa się zestawu elektrod. Tymczasem ocenia się, że istnieje 140 milionów neuronów w pierwszorzędowej korze wzrokowej (V1). Tym, co się dzieje, jest to, że badani widzą niewyraźne plamy, nie zaś litery lub kształty, które są stymulowane. Są pewne, ograniczone sukcesy, ale niewiele się osiągnie bez użytecznej technologii. Najwyższym celem w stylu “Geordi La Forge” byłoby indywidualne stymulowanie tych 140 milionów neuronów. Pytanie jednak brzmi – gdzie leży próg użytecznego wzroku? Czy potrzebujemy setek elektrod, tysięcy dziesiątków tysięcy? I co stanowi użyteczny wzrok?

To doprowadza nas do obecnego badania, które nie zajmuje się leżącym u podstaw problemem, ale dostarcza użytecznego “kopa”, który może doprowadzić do praktycznego zastosowania. Badacze informują, że zamiast stymulować nieruchomy kształt, użyli dynamicznej stymulacji. (Na marginesie, chociaż badanie opublikowano teraz, znalazłem raporty z tego samego badania sprzed dwóch lat.) Zamiast po prostu stymulowania elektrodami kształtu „Z”, stymulowali elektrody jedna po drugiej, tworząc kształt „Z”. Informują, że ich sześciu badanych było w stanie lepiej identyfikować wyobrażone w ten sposób litery niż przez statyczną stymulację. Dynamiczna stymulacja może więc szybciej doprowadzić nas do punktu, w którym badanych można sztucznie stymulować, by widzieli kształty, litery, cyfry. Pozostaje zobaczyć, czy tak będzie w praktyce.

Ten wynik spowodował, że zacząłem zastanawiać się, czy nie można tego wykorzystać w bardziej finezyjny sposób. Na przykład, jeśli masz obraz bardziej złożonego obiektu, takiego jak koń, czy dynamiczne stymulowanie pikseli pomogłoby w jakiś sposób w stworzeniu obrazu konia?  Być może problem plam wynika z tego, że napięciowo stymulowane neurony po prostu wyczerpują się? Gdyby piksele zamiast tego migotały lub poruszały się w jakiś sposób, obraz mógłby być wyraźniejszy w korze. Jeśli to zadziała, to odkrycie może być kolejnym małym kawałkiem do pełnej technologii, niezbędnej do sztucznego wytworzenia użytecznych obrazów w korze niewidomych. 

Tutaj jest jeszcze trochę spekulacji – wiemy, że nasze oczy nieustannie poruszają się. Głównym znanym powodem jest niedopuszczenie do wypalenia siatkówki, co znaczy, że jeśli te same neurony siatkówkowe są stymulowane przez pewien czas, zużywają wszystkie neuroprzekaźniki i mogą przestać działać. Nasze oczy poruszają się więc, żeby neurony w siatkówce miały szansę na resetowanie. Można to przetestować przez wpatrywanie się w jeden punkt nie odrywając wzroku – po pewnym czasie obraz blaknie. Być może jednak kora wzrokowa także potrzebuje tego nieustannego ruchu. Co najmniej wyewoluowała adaptowana do tego nieustannego ruchu. Dynamiczna stymulacja może więc być normą dla kory wzrokowej.

Jeszcze jeden niemowlęcy kroczek, ale miejmy nadzieję, że idziemy we właściwym kierunku.  

Muszę powiedzieć jednak, że sądzę, iż dokonamy prawdziwego postępu, kiedy technologia znacząco polepszy się – o kilka rzędów wielkości. Robimy postępy także w tej dziedzinie, Niedawno pisałem o używaniu mikrokabli do elektrod mózgowych. W tym kierunku musimy iść, w kierunku technologii dającej tysiące połączeń elektrod z komórkami mózgu – albo jeszcze więcej. Potrzebne nam są także elektrody o stabilnych połączeniach przez długi czas.

To badanie jest dobrym przykładem tego, jak idea może stanąć w miejscu po prostu dlatego, że technologia jeszcze nie jest gotowa. Pięćdziesiąt lat z niewielkim praktycznym postępem działa otrzeźwiająco. Wzmacnia tezę, że przewidywanie przyszłej technologii jest naprawdę trudne, szczególnie jeśli chodzi o pokonywanie przeszkód. Sztuczne widzenie może dołączyć do jet pack i latających samochodów jako technologii, o których marzono od dziesięcioleci, ale których nie ma w praktyce z powodu technologicznych ograniczeń.

Stimulating the Visual Cortex

NeuroLogica Blog, 15 maja 2020

Tłumaczenie: Małgorzata Koraszewska