درون‌کاشت مغز برای افراد نابینا؛ چگونه بدون چشم می‌توان دید؟

برناردتا گومز با اشاره به خط بزرگ سیاهی که روی برگه‌ی مقوایی سفیدی کشیده شده و کمی با او فاصله دارد، به زبان اسپانیایی می‌گوید: «Allí» (یعنی آنجا). این مسئله برای زنی ۵۷ ساله که بیش از یک دهه است بینایی خود را از دست داده، اتفاقی تأثیرگذار محسوب می‌شود.

وقتی گومز ۴۲ ساله بود، دراثر ابتلا به نوروپاتی اپتیک توکسیک مجموعه اعصاب متصل‌کننده‌ی چشم به مغزش تخریب شد و کاملا بینایی خود را از دست داد. او حتی نمی‌تواند نور را تشخیص دهد؛ اما پس از ۱۶ سال تاریکی، به وی فرصتی ۶ ماهه داده شد که در آن، می‌توانست تصویری با وضوح بسیار کم از جهان ببیند که با تابش نقطه‌ها و اشکال سفید و زرد نمایان می‌شد.

برناردتا گومز این قابلیت را به‌لطف عینکی مجهز به دوربین به‌دست آورد. این ابزار به کامپیوتری متصل می‌شود که منبع ویدئو زنده را پردازش و آن را به سیگنال‌های الکترونیکی تبدیل می‌کند. کابلی که از سقف آویزان است، سیستم را به درگاه تعبیه‌شده در پشت جمجمه‌ی گومز وصل می‌کند که به درون‌کاشت ۱۰۰ الکترودی کاشته‌شده در قشر بینایی در پشت مغزش متصل شده است.

با استفاده از سیستم مذکور، گومز چراغ‌های سقف، حروف، اشکال ساده چاپ‌شده روی کاغذ و مردم را تشخیص می‌داد. در مدت آزمایش و چهار روز در هر هفته، گومز را همسرش به آزمایشگاه می‌آورد و به سیستم وصل می‌شد. اولین لحظه‌ی بینایی گومز در اواخر سال ۲۰۱۸، نقطه‌ی اوج دهه‌ها پژوهش ادواردو فرناندز، مدیر مهندسی عصبی در دانشگاه دانشگاه میگوئل هرناندز در الچه اسپانیا بود. هدف او بازگرداندن بینایی به حدود ۳۶ میلیون نفری بود که در سرتاسر جهان از نعمت بینایی محروم بودند. رویکرد فرناندز بسیار هیجان‌انگیز است؛ به‌ویژه اینکه چشم‌ها و اعصاب بینایی را به‌کلی دور می‌زند.

برناردتا گومز درحالی‌که عینک مجهز به دوربین را روی چشمانش قرار داده است

چشم مصنوعی نابینایی آن‌ها را برطرف نمی‌کند؛ به‌همین‌دلیل در سال ۲۰۱۵، شرکت دید دوم (Second Sight) که در سال ۲۰۱۱ در اروپا و در سال ۲۰۱۳ در آمریکا مجوز فروش شبکیه‌ی مصنوعی را برای بیماری نادری به‌نام رتینیت پیگمانتر گرفته بود، از دو دهه کار روی شبکیه به کار روی قشر بینایی روی آورد.

شرکت دید دوم می‌گوید کمی بیش از ۳۵۰ نفر در حال استفاده از درون‌کاشت شبکیه‌ای آرگوس۲ هستند. فرناندز به‌نقل از راس ژوسگالیان، روزنامه‌نگار ام‌آی‌تی تکنولوژی، گفت پیشرفت در فناوری درون‌کاشت و درک بهتر سیستم بینایی انسان به او این اطمینان را داده است که به‌طور مستقیم سراغ مغز برود. او می‌گوید:

اطلاعات موجود در سیستم عصبی همان اطلاعاتی است که در دستگاه الکتریکی وجود دارد.

بازیابی بینایی ازطریق تغذیه‌ی مستقیم سیگنال‌ها به مغز، رویکرد بلندپروازانه‌ای است؛ اما اصول پشت‌صحنه‌ی آن دهه‌ها است در درون‌کاشت‌های کنونی در پزشکی استفاده می‌شود. فرناندز توضیح می‌دهد:

در‌حال‌حاضر، دستگاه‌های الکتریکی زیادی داریم که با بدن انسان در تعامل هستند. یکی از آن‌ها ضربان‌ساز است و در سیستم حسی نیز، درون‌کاشت حلزون را داریم.

ادواردو فرناندز

درون‌کاشت حلزون نسخه‌ی شنیداری از پروتزی است که فرناندز آن را برای گومز ساخت: میکروفن خارجی و سیستم پردازنده که سیگنال دیجیتال را به درون‌کاشتی در گوش داخلی منتقل می‌کند. الکترودهای درون‌کاشت پالس‌هایی از جریان را به اعصاب مجاور ارسال و مغز آن‌ها را به‌عنوان صدا درک و تفسیر می‌کند. درون‌کاشت حلزون که نخستین‌بار در سال ۱۹۶۱ روی بیمار آزمایشی به‌کار گرفته شد، اکنون به بیش از نیم‌میلیون نفر در سرتاسر جهان کمک می‌کند بتوانند گفت‌وگوهای روزمره‌ی خود را انجام دهند. فرناندز می‌گوید:

برنا نخستین بیمار ما بود؛ اما در چند سال آینده، درون‌کاشت‌ها را در پنج فرد نابینای دیگر آزمایش خواهیم کرد. آزمایش‌های مشابهی روی حیوانات نیز انجام داده‌ایم؛ اما گربه یا میمون نمی‌تواند آنچه می‌بیند، توضیح دهد.

آزمایش به شهامت و نصب درون‌کاشت به عمل جراحی نیاز داشت که همیشه با خطرهایی همراه است. برداشت آن ۶ ماه بعد نیز، محتاج عمل جراحی بود. این پروتز برای استفاده‌ی طولانی‌مدت تأیید نشده است.

تشنج‌ها و فسفن‌ها

ژوسگالیان در توصیف ملاقاتش با گومز می‌گوید:

پیش از آنکه او را ببینم، صدایش را شنیدم؛ صدای زنی که حدود یک دهه از سنش جوان‌تر به‌نظر می‌رسد. او به‌صورت شمرده و متین و با صدایی گرم و مطمئن سخن می‌گوید. وقتی او را در آزمایشگاه دیدم، متوجه شدم از چیدمان فضا خبر دارد و می‌تواند مسیر خود را پیدا کند. وقتی برای خوشامدگویی به‌سوی او قدم برداشتم، درابتدا صورتش را به‌سمت اشتباهی برگرداند، تا اینکه به او سلام کردم. وقتی می‌خواستم با او دست بدهم، همسرش دست او را به‌سوی دست من هدایت کرد.

گومز برای گرفتن MIR مغز به اینجا آمده است تا ببیند پس از گذشت ۶ ماه از حذف درون‌کاشت، وضعیتش چگونه است. او همچنین می‌خواهد بیمار نامزدشده‌ی دیگر برای آزمایش را ملاقات کند. وقتی فرناندز توضیح می‌دهد چگونه سخت‌افزار به جمجمه متصل می‌شود، گومز دست بیمار نابینای دیگر را می‌گیرد و پشت‌سر خود، یعنی جایی قرار می‌دهد که در آن خروجی فلزی دستگاه تعبیه شده بود. اکنون تقریبا هیچ نشانی از آن خروجی وجود ندارد. او می‌گوید عمل جراحی درون‌کاشت چنان برایش بدون مشکل بود که روز بعد برای اتصال به سیستم و شروع آزمایش به آزمایشگاه آمد. او از آن زمان هیچ مشکل یا دردی نداشته است.

سیگنال‌های الکتریکی مغز برناردتا گومز. هر جعبه نشان‌دهنده‌ی یکی از الکترودها است و خطوط پیج‌و‌تاب خورده‌ی درون هر جعبه نشان‌دهنده‌ی سیگنال حاصل از برانگیختگی نورون‌های مغز او است.

در اوایل دهه‌ی ۲۰۰۰، این فرض هنگامی به‌واقعیت پیوست که پژوهشگر حوزه‌ی زیست‌پزشکی، ویلیام دوبل، چنین پروتزی را در سر بیمار آزمایشی نصب کرد. البته این دستگاه به‌دلیل تحریک بیش‌از‌حد مغز موجب بروز تشنج‌هایی در فرد بیمار می‌شد. علاوه‌بر‌این، مشکل عفونت نیز وجود داشت. با‌این‌حال، دوبل دستگاه خود را همراه‌با ویدئو تبلیغاتی که مرد نابینایی را در حال رانندگی آرام در پارکینگی بسته نشان می‌داد، برای استفاده‌ی روزمره به بازار عرضه کرد. وقتی دوبل در سال ۲۰۰۴ از دنیا رفت، پروتز او نیز همراه او از میان رفت. برخلاف دوبل که بارها اعلام می‌کرد درمانی برای نابینایی یافته است، فرناندز دوست ندارد امید واهی ایجاد کند. او می‌گوید:

امیداریم سیستمی داشته باشیم که مردم بتوانند از آن استفاده کنند و در‌حال‌حاضر، مشغول انجام آزمایش‌های اولیه هستیم.

البته گومز که سیستم آزمایشی او را امتحان کرد، درواقع، موفق شد ببیند. اگرچه ایده‌ی اصلی پشت‌صحنه‌ی دید گومز (یعنی اتصال دوربین به کابل ویدئویی و مغز) ساده به‌نظر می‌رسد، جزئیات آن ساده نیست. فرناندز و گروهش ابتدا باید بخش دوربین را درک می‌کردند. شبکیه‌ی چشم انسان چه نوع سیگنالی تولید می‌کند؟

برای یافتن پاسخ این پرسش، فرناندز شبکیه‌ی چشم افراد فوت‌شده را می‌گرفت و به الکترودهایی وصل می‌کرد و درمعرض نور قرار می‌داد و سعی می‌کرد سیگنال حاصل از الکترودها را درک کند. آزمایشگاه او رابطه‌ی نزدیکی با بیمارستانی محلی دارد که گاهی حتی هنگام نیمه‌شب و با از‌دنیا‌رفتن اهداکننده‌ی عضو با او تماس می‌گیرند. شبکیه‌ی چشم انسان را تقریبا هفت ساعت می‌توان زنده نگه داشت.

گروه پژوهشی همچنین از یادگیری ماشین برای انطباق خروجی الکتریکی شبکیه به ورودی‌های ساده بصری استفاده می‌کند. این کار به آن‌ها کمک می‌کند نرم‌افزاری طراحی کنند که به‌طور خودکار این فرایند را شبیه‌سازی کند. مرحله‌ی بعد، گرفتن این سیگنال و تحویل آن به مغز است. در پروتزی که فرناندز آن را برای گومز ساخت، اتصالی کابل‌دار به‌سوی درون‌کاشت عصبی رایجی می‌رود که با نام «آرایه‌ی یوتا» شناخته می‌شود و کمی کوچک‌تر از برجستگی روی قطب مثبت یک باتری نیم‌قلمی است. از درون‌کاشت، ۱۰۰ الکترود ریز بیرون آمده است که هرکدام طولی به‌اندازه‌ی یک میلی‌متر دارد. هر الکترود می‌تواند جریان را به یک تا چهار نورون تحویل دهد. زمانی‌که درون‌کاشت وارد می‌شود، الکترودها در سطح مغز نفوذ می‌کنند و وقتی برداشته می‌شود، ۱۰۰ قطره کوچک خون در حفره‌های به‌جا‌مانده از الکترودها تشکیل می‌شود.

آرایه‌ی درون‌کاشته‌شده ۱۰۰ الکترود دارد.

فرناندز مجبور بود در هر زمان یک الکترود را کالیبره و به‌تدریج جریان قوی‌تری به آن ارسال کند تا وقتی‌که گومز بگوید کی و کجا فسفن می‌بیند. تنظیم تمام این ۱۰۰ الکترود بیش از یک ماه زمان برد. فرناندز می‌گوید:

مزیت رویکرد ما آن است که الکترودهای آرایه وارد مغز می‌شوند و در مجاورت نورون‌ها قرار می‌گیرند.

این امر به درون‌کاشت اجازه می‌دهد به‌کمک جریان الکتریکی بسیار کمتری از آنچه در سیستم دوبل نیاز بود، بینایی ایجاد کند و خطر بروز تشنج به میزان زیادی کاهش یابد. مهم‌ترین عیب پروتز و دلیل اصلی که گومز نمی‌توانست آن را بیش از ۶ ماه داشته باشد، این است که هیچ‌کس نمی‌داند الکترودها چه مدت می‌توانند بدون تخریب خود الکترودها یا مغز کاربر دوام آورند. فرناندز می‌گوید:

سیستم ایمنی فرد تخریب الکترودها را شروع و اطراف آن بافت زخم ایجاد می‌کند که درنهایت، موجب تضعیف سیگنال می‌شود.

هنگام حرکت فرد مشکل خم‌شدن الکترودها نیز وجود دارد. فرناندز با قضاوت از روی پژوهش‌های انجام‌شده روی حیوانات و نگاهی اولیه به آرایه‌ای که گومز از آن استفاده کرد، گمان می‌کند مجموعه‌ی فعلی می‌تواند دوسه سال و شاید حتی دَه سال دوام بیاورد. او امیدوار است پیشرفت‌های آینده بتواند این زمان را بیشتر کند؛ موضوعی که لازمه‌ی قطعه‌ای سخت‌افزار پزشکی است که به عمل جراحی تهاجمی نیاز دارد. سرانجام پروتز باید بتواند همچون درون‌کاشت حلزون به‌صورت بی‌سیم سیگنال و قدرت را به الکترودها منتقل کند؛ اما در‌حال‌حاضر، پژوهشگران از پروتز کابل‌دار برای آزمایش‌ها استفاده می‌کنند که بیشترین انعطاف‌پذیری را برای به‌روزرسانی سخت‌افزار دارد. همچنین، آن‌ها در طرح نهایی چنین مسئله‌ای را در نظر خواهند گرفت.

با وضوح ۱۰ در ۱۰ پیکسلی که تقریبا حداکثر وضوحی است که درون‌کاشت گومز ارائه می‌دهد، فرد ممکن است اشکال ساده‌ای مانند حروف یا چهارچوب در یا پیاده‌رو را درک کند؛ اما درک چهره‌‌ی افراد بسیار پیچیده‌تر است. به‌همین‌دلیل، فرناندز سیستم خود را با نرم‌افزار تشخیص چهره تقویت کرده است. او می‌گوید وضوح ۲۵ در ۲۵ پیکسلی نیز امکان‌پذیر است و ازآنجاکه آرایه‌ی یوتا در شکل فعلی خود بسیار کوچک است و برای اجرا به انرژی کمی نیاز دارد، به‌گفته‌ی فرناندز، هیچ دلیل فنی وجود ندارد که گروه او نتواند ۴ تا ۶ عدد از این آرایه را در هر طرف مغز بکارد تا دیدی با وضوح ۶۰ در ۶۰ پیکسل یا بیشتر فراهم شود. هنوز کسی نمی‌داند مغز انسان قبل از اینکه سردرگم شود و تصویری مانند برفک تلویزیون نشان دهد، چقدر از این ورودی‌ها را می‌تواند بگیرد.

فرناندز و دانشجویش با نمونه‌ای اولیه از دوربین که به کامپیوتر متصل شده است.

گومز می‌گوید اگر حق انتخاب داشت، درون‌کاشت را از مغزش حدف نمی‌کرد و اگر نسخه‌ی به‌روزشده‌ای از این دستگاه دردسترس قرار گیرد، از آن استفاده می‌کند. ژوسگالیان در توصیف تجربه‌اش از آزمایشگاه فرناندز گفت فرناندز او را به ابزاری غیرتهاجمی متصل کرد که از آن برای غربالگری بیماران استفاده می‌کند. ژوسگالیان روی همان صندلی‌ای نشست که گومز در جریان آزمایش سال گذشته روی آن می‌نشست و منتظر ماند تا ابزار عصامانند دارای دو حلقه در دو طرف سرش قرار گیرد. این دستگاه که «سیم‌پیچ پروانه‌ای» نامیده می‌شود، به جعبه‌ای متصل است که نورون‌های مغز را با استفاده از پالس الکترومغناطیسی قوی تحریک می‌کند؛ فرایندی که «تحریک مغناطیسی فراجمجمه‌ای» نامیده می‌شود.

با اولین جریان، ژوسگالیان احساس کرد کسی در حال تکان‌دادن پوست سرش است. انگشتانش به‌طور غیرعمد در کف دستانش جمع شد. فرناندز با خنده به او گفت:

این قشر حرکتی تو بود. اکنون می‌خواهیم به شما چند فسفن بدهیم.

فرناندز عصا را جا‌به‌جا و دستگاه را برای تولید پالس‌های سریع‌تر تنظیم کرد. ژوسگالیان این‌بار احساس کرد کسی دارد به پشت جمجمه‌اش ضربه می‌زند. سپس وقتی چشمانش کاملا باز است، چیزی می‌دید: خط افقی روشن که در مرکز میدان بینایی می‌درخشد به‌همراه دو مثلث سوسوزننده‌ی پرشده با چیزی مانند برفک تلویزیون. بینایی به‌محض رسیدن ناپدید شد و پس‌تاب کوتاهی از آن برجا ماند. فرناندز گفت:

این مانند چیزی است که برنا می‌توانست ببیند؛ ولی دید او از جهان تا زمانی پایدار بود که سیگنال به مغز منتقل می‌شد.

گومز به‌لطف سیستم فرناندز توانست دنیایی را لمس و با آن ارتباط برقرار کند که ۱۶ سال از دیدنش محروم بود.