دانشمندان توانایی دیدن حروف رسم‌شده روی مغز را به افراد نابینا بخشیدند

دانشمندان مغز را با استفاده از الکترودهای کاشته‌شده روی سطح آن تحریک، الگوهایی از الکتریسیته را به مغز ارسال کردند و مغز را برآن داشتند حروفی را ببیند که در آنجا نبودند. طبق این مطالعه که به‌تازگی در مجله‌ی Cell منتشر شده‌، این آزمایش هم در افراد بینا و هم در شرکت‌کنندگان نابینایی جواب داد که بینایی خود را در بزرگ‌سالی از دست داده بودند. اگرچه این فناوری روزهای اول خود را می‌گذراند، دستگاه‌های کاشتنی می‌توانند به‌طوربالقوه در آینده برای تحریک مغز و تا حدودی بازگرداندن بینایی افراد استفاده شود.

ایمپلنت‌های به‌کاررفته در مطالعه که با عنوان پروتزهای بینایی شناخته می‌شوند، روی قشر بینایی قرار داده و سپس طبق الگویی تحریک شدند اشکالی را دنبال کنند که شرکت‌کنندگان سپس بتوانند آن‌ها را ببینند. نسخه‌های پیشرفته‌تر این ایمپلنت‌ها می‌تواند مشابه ایمپلنت‌های حلزون گوش کار کند که اعصاب گوش داخلی را به‌مدد الکترودها برای کمک به تقویت توانایی شنوایی کاربر تحریک می‌کند. نویسندگان مقاله، مایکل ﺑﻮﺷﺎﻣﭗ، دانشمند علوم اعصاب و دکتر دانیل یوشور، جراح مغز و اعصاب، هر دو از کالج پزشکی بیلور هستند و در ایمیلی به وب‌سایت خبری لایوساینس گفتند: «‌نسخه‌ای اولیه از چنین دستگاهی می‌تواند تشخیص طرح‌ بیرونی اشکال تجربه‌شده را ممکن کند». مطالعه‌ی حاضر گامی کوچک برای تحقق چنین فناوری است.

دیدن ستاره‌ها

نویسندگان این مطالعه حروف را با تحریک مغز با جریان‌های الکتریکی ایجاد کردند و باعث شدند مغز فسفن‌هایی ایجاد کند. فسفن‌ها نقاط بسیار ریز نور هستند که مردم گاهی اوقات آن‌ها را بدون ورود نور واقعی به چشم می‌بینند. برخلاف نوری که از جسمی در اتاق منعکس و وارد چشم شما می‌شود، فسفن‌ها به‌عنوان تغییری ناگهانی در سیستم پردازش بینایی رخ می‌دهد. شما این نقاط نور را می‌بینید؛ حتی اگر آن‌ها درواقع در آنجا نباشند. برای مثال، ممکن است وقتی چشمان خود را در اتاقی تاریک می‌مالید، فسفن‌ها را دیده باشید؛ پدیده‌ای که به‌گفته‌ی نویسندگان، اغلب با عنوان «دیدن ستاره‌ها» توصیف می‌شود.

جان ﭘﺰارﯾﺲ، رئیس آزمایشگاه پروتزهای بینایی در بیمارستان عمومی ماساچوست و استادیار جراحی مغز و اعصاب در دانشگاه هاروارد گفت ستاره‌هایی که وقتی چشمان خود را می‌مالید، ظاهر و به‌عنوان فسفن‌های مکانیکی شناخته می‌شوند، اولین‌بار آلکمایون، فیلسوف و فیزیولوژیست یونان باستان، توصیف کرده است.

ﭘﺰارﯾﺲ معتقد است قرن‌ها بعد، در سال ۱۷۵۵، چارلز لو روی، پزشک فرانسوی، کشف کرد تحریک مغز با استفاده از الکتریسیته می‌تواند حتی در افراد نابینا فسفن‌های واضحی تولید کند. به‌گفته‌ی ﭘﺰارﯾﺲ، در دهه‌ی ۱۹۶۰، دانشمندان کار با ایده‌ی پروتزهای بینایی را شروع کردند. آن‌ها الکترودها را در قشر بینایی کاشتند. قشر بینایی منطقه‌ای از مغز است که اطلاعات ورودی از چشم را پردازش می‌کند. هدف این دانشمندان تولید فسفن‌ها و قراردادن آن‌ها درکنارهم به‌شکل اشکالی منسجم بود. دانشمندان چنین فرض می‌کردند اگر آن‌ها چندین نقطه از قشر را تحریک کنند، چندین فسفن ظاهر خواهد شد و به‌طور خودکار مانند پیکسل‌های جداگانه روی صفحه‌ی کامپیوتر باهم ترکیب می‌شوند. ﺑﻮﺷﺎﻣﭗ و یوشور گفتند:

مغز درمقایسه‌با صفحه‌نمایش کامپیوتر بسیار پیچیده‌تر است و به‌دلایلی که هنوز آن‌ها را کاملا درک نمی‌کنیم، درواقع تولید اشکال تشخیص‌پذیر از ترکیبات فسفن‌ها بسیار دشوار است.

نویسندگان در مطالعه‌ی خود به همان مانع برخورد کردند؛ اما راهی برای دورزدن آن پیدا کردند.

نقاشی روی مغز

افراد بینای شرکت‌کننده در آزمایش، قبلا به‌عنوان بخشی از درمان صرع عمل جراحی و الکترودهایی در مغز آن‌ها کاشته شده بود. این الکترودها به‌منظور نظارت ‌بر فعالیت تشنج مغز آن‌ها طراحی شده بود. افراد نابینا در مطالعه‌ی جداگانه‌ای شرکت کرده بودند که پروتزهای بینایی را بررسی کرده بود و در آن زمان، الکترودهای کاشته‌شده‌ای در مغز خود داشتند.

منطقه‌ی V1 همچون نقشه‌ای کار می‌کند که در آن، مناطق مختلف نقشه به مناطق مختلف میدان بینایی ما مانند «بالا سمت راست» یا «پایین سمت چپ» مطابقت دارد. نویسندگان دریافتند اگر آن‌ها هربار یک الکترود را فعال کنند، شرکت‌کنندگان با اطمینان یک فسفن را می‌بینند که در منطقه‌ی پیش‌بینی‌شده‌ی آن ظاهر می‌شود. بااین‌حال، اگر چندین الکترود به‌طورهم‌زمان روشن می‌شد، فسفن‌های انفرادی ظاهر می‌شدند؛ اما به‌صورت اشکال مسنجم گردهم نمی‌آمدند. بنابراین، آن‌ها استراتژی متفاوتی امتحان کردند. این پژوهشگران چنین فرض کردند با حرکت سریع جریان الکتریکی روی چندین الکترود می‌توانند الگوها را روی سطح مغز دنبالو اشکال تشخیص‌پذیر تولید کنند. نویسندگان می‌گویند مغز به‌طور منحصر‌به‌فرد برای تشخیص تغییرات محیط پیرامون ما تنظیم شده است؛ بنابراین، چنین استدلال کردند این ارگان باید الگویی از فسفن‌ها را دنبال کند که یکی پس از دیگری نشان داده می‌شوند. پیتر روﻟﻔﺴﻤﺎ، مدیر مؤسسه‌ی علوم اعصاب هلند‌، در ایمیلی به لایوساینس گفت:

ایمپلنت‌های حلزون گوش از استراتژی مشابهی برای ایجاد لحن‌های شنیداری متفاوت استفاده می‌کنند. فرض کنید الکترود ۱ ارتفاع صوت بلندتر و الکترود ۲ ارتفاع صوت پایین‌تری می‌دهد. با هدایت جریان الکتریکی از هر دو الکترود، می‌توانید ارتفاع صوت حد واسط بین دو الکترود ۱ و ۲ را به‌دست آورید.

نویسندگان این مطالعه دریافتند آن‌ها می‌توانند کار مشابهی در‌زمینه‌ی بینایی انجام دهند. آن‌ها توانستند فسفن‌هایی را میان دو مکان دو الکترود جداگانه تولید کنند؛ بنابراین، نقاط بین آن‌ها را متصل کردند. نویسندگان با استفاده از این تکنیک اشکال حروفی مانند W و S و Z را روی سطح V1 دنبال کردند. شکل‌ها باید وارونه و رو‌به‌عقب کشیده می‌شدند؛ یعنی همان وضعیتی است که اطلاعات بینایی معمولا از چشمان ما به قشر بینایی می‌رسد. درپایان، شرکت‌کنندگان مطالعه توانستند این اشکال را ببیند و آن‌ها را به‌دقت روی صفحه‌ای لمسی بازآفرینی کنند. ﺑﻮﺷﺎﻣﭗ و یوشور گفتند:

وقتی شرکت‌کنندگان در مطالعه شروع به دیدن حروفی کردند که در چشمان ذهن آن‌ها شکل می‌گرفت، فکر می‌کنم حداقل به‌اندازه‌ی ما و شاید هم بیشتر هیجان‌زده بودند.

تصویر بالا اشکال مختلف حروف‌مانندی (W و Z) را نشان می‌دهد که الگوهای تحریک پویای مختلفی ایجاد کرده است. الگوی تحریک در سمت چپ و طرحی که شرکت‌کننده از آن کشیده، در سمت راست نشان داده شده است

نگاه به آینده

روﻟﻔسﻤﺎ همراه‌با مقاله‌ی جدید یادداشتی در مجله‌ی Cell منتشر کرده و در آن نوشته است:

قبل از آنکه پژوهش بتواند در پروتزهای بینایی سودمند به‌کار گرفته شود، مشکلات متعددی وجود دارد که باید بر آن‌ها غلبه کرد. در آینده، احتمالا پروتزهای بینایی حاوی هزاران الکترود خواهند بود؛ درحالی‌که در این مطالعه، تنها ده‌ها الکترود استفاده شد. علاوه‌بر‌این، الکترودها ممکن است به‌گونه‌ای طراحی شوند که به قشر مغز نفوذ کنند؛ به‌طوری که انتهای الکترودها به نورون‌هایی نزدیک‌تر باشد که چند صد میکرون پایین‌تر از قشر قرار دارند.

ﭘﺰارﯾﺲ گفت الکترودهایی که به مغز نفوذ می‌کنند، فسفن‌های دقیق‌تر با میدان‌های الکتریکی ضعیف‌تر از چیزی تولید می‌کنند که درمورد الکترودهای قرارگرفته روی سطح مغز نیاز است. الکترودهای سطحی از میدان‌های الکتریکی قوی برای رسیدن به سلول‌های مغز در بافت استفاده می‌کنند که گاهی موجب تحریک هم‌زمان سلول‌های نزدیک یا سلول‌هایی می‌شود که با‌هم هم‌پوشانی دارند. روﻟﻔﺴﻤﺎ معتقد است برای اینکه پروتزهای بینایی نتیجه‌بخش باشد، باید الکترودهای جدیدی اختراع شوند که برای مدت طولانی با بافت مغز سازگار بماند. او می‌گوید: «الکترودهای فعلی که وارد مغز می‌شوند، موجب آسیب می‌شوند و طولانی‌مدت کار نمی‌کنند».

برای برخی بیماران الکترودهای سطحی بسته ‌به خطرهای همراه‌با کاشت عمیق‌تر الکترودها در مغز ممکن است بهترین گزینه باشد. به‌گفته‌ی روﻟﻔﺴﻤﺎ، نابینایی علت‌های بسیار مختلفی دارد و ممکن است برخی بیماران از الکترودهای کاشته‌شده در عمق مغز و برخی دیگر از الکترودهای سطحی و گروهی دیگر از پروتزهای کاشته‌شده درون شبکیه‌ی چشم ازطریق جراحی بیشترین سود را ببرند. ﺑﻮﺷـﺎﻣﭗ و یوشور گفتند: «مهم‌تر از همه، برای اینکه وسایل پروتز بینایی واقعا برای افراد نابینا مفید باشند، باید کیفیت زندگی را بهبود بخشند». این بدان‌معنا است که فراتر از بهینه‌سازی الکترودهای فیزیکی و نحوه‌ی عمل آن‌ها، دانشمندان باید نرم‌افزار مطمئنی طراحی کنند که به فیلترکردن و پردازش اطلاعات بینایی برای کاربر کمک کند. پس از مونتاژ، سیستم کامل باید به‌اندازه‌ی کافی مفید باشد که مردم واقعا از آن استفاده کنند. ﭘﺰارﯾﺲ درباره‌ی پروتزهای بینایی گفت:

اساسا یکی از نکاتی که باید مدنظر قرار دهیم، آن است که نابینایی وضعیت تهدیدکننده‌ی زندگی نیست؛ بنابراین، خطر‌های همراه‌با آن دربرابر مزیت‌های کافی آن باید به توازن برسد.