Un occhio bionico promette una chiara visione a non vedenti

(Occhio bionico-Credito immagine: Lisa M Moskwa tramite Wikimedia (CC BY-SA 3.0) ).

Secondo i Centers for Disease Control and Prevention, una buona vista è essenziale per la vita di tutti i giorni. Eppure, circa 12 milioni di americani di età pari o superiore a 40 anni vivono con problemi di vista, di cui 1 milione legalmente non vedenti.

Sebbene alcuni individui affetti possano essere trattati con chirurgia o farmaci e i recenti progressi nelle terapie geniche e con cellule staminali siano promettenti, non esistono trattamenti efficaci per molte persone che sono non vedenti a causa di una grave degenerazione o danneggiamento della retina, del nervo ottico o della corteccia.

Una protesi visiva elettronica o “occhio bionico” forse l’unica opzione in questi casi.

Michael Beyeler, un assistente Professore di informatica e scienze psicologiche e del cervello presso l’UC Santa Barbara, mira a portare al mainstream un occhio bionico basato sull’intelligenza artificiale in grado di generare una visione artificiale, per aumentare la qualità della vita dei pazienti non vedenti o ipovedenti alterato.

“Immagino un occhio bionico intelligente in grado di trovare chiavi fuori posto su un bancone, leggere le etichette dei farmaci, informare un utente sui gesti e le espressioni facciali delle persone durante le interazioni sociali e avvisare un utente degli ostacoli vicini e delineare percorsi sicuri“, ha affermato.

Per il suo progetto, “Towards a Smart Bionic Eye: AI-Powered Artificial Vision for the Treatment of Incurable Blindness”, Beyeler è stato selezionato per il New Innovator Award del Direttore del National Institutes of Health (NIH). Il NIH ha assegnato al progertto la sovvenzione quinquennale di 1,5 milioni di dollari, una delle 103 assegnate questa settimana per consentire a scienziati all’inizio della carriera eccezionalmente creativi di spingere i confini della scienza biomedica e perseguire progetti ad alto impatto che mirano a far progredire la conoscenza e migliorare la salute.

“Offro le mie più sincere congratulazioni al Professor Beyeler per aver visto la sua ricerca innovativa riconosciuta con il prestigioso premio New Innovator Award del Direttore del NIH”, ha affermato Tresa Pollock, decano ad interim del College of Engineering e Alcoa Distinguished Professor of Materials. “Il suo nuovo approccio all’utilizzo dei recenti progressi nella visione artificiale, nell’intelligenza artificiale e nelle neuroscienze ha un enorme potenziale per scoprire nuove conoscenze e fornire a milioni di persone una visione utile attraverso un occhio bionico intelligente”.

“Sono estremamente onorato ed entusiasta di ricevere questo premio”, ha affermato Beyeler, che in precedenza ha ricevuto il NIH Pathway to Independence Award. “Come parte del programma di ricerca ad alto rischio e ad alto rendimento del NIH, questo premio consentirà al mio gruppo di spiegare la scienza dietro le tecnologie bioniche che potrebbero un giorno ripristinare una visione utile a milioni di persone che vivono con una cecità incurabile”.

Gli occhi bionici, come li conosciamo, trasformano la luce, catturata da una telecamera montata sulla testa, in impulsi elettrici che vengono erogati attraverso una matrice di microelettrodi impiantati nell’occhio o nella corteccia visiva, che viene poi interpretata dal cervello come percezioni visive, o fosfeni. Sebbene i dispositivi attuali offrano generalmente una migliore capacità di differenziare la luce da sfondi scuri e di vedere il movimento, la visione che forniscono è sfocata, distorta e spesso difficile da interpretare. 

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Una sfida importante per gli scienziati che cercano di sviluppare protesi visive è quindi prevedere ciò che i destinatari dell’impianto “vedono” quando usano i loro dispositivi. Invece di vedere punti focali di luce, gli attuali utenti di impianti retinici percepiscono fosfeni altamente distorti che spesso non riescono a riunirsi in oggetti di percezione più complessi. Di conseguenza, la vista generata dalle attuali protesi è stata ampiamente descritta come “fondamentalmente diversa” dalla visione naturale e non migliora nel tempo.

Beyeler adotta un approccio diverso. Piuttosto che puntare a rendere la visione bionica il più naturale possibile, propone di concentrarsi su come creare una  visione artificiale pratica e utile che sia basata sulla comprensione della scena basata sull’intelligenza artificiale (AI) e sia adattata a compiti specifici del mondo reale che influenzano la qualità della vita di una persona non vedente, come il riconoscimento facciale, la navigazione all’aperto e la cura di sé.

La sua nuova strategia multidisciplinare per questo progetto indagherà il codice neurale della visione, studiando come tradurre la stimolazione degli elettrodi in un codice che il cervello umano può comprendere.

“Vogliamo affrontare le domande fondamentali all’intersezione tra neuroscienza, informatica e interazione uomo-computer per consentire lo sviluppo di uno Smart Bionic Eye, una neuroprotesi visiva che funziona come un aiuto visivo per i non vedenti alimentato dall’intelligenza artificiale”, ha affermato Beyeler .

Per abilitare una tecnologia che fornisce segnali ai non vedenti, proprio come un sistema di visione artificiale parla con un’auto a guida autonoma, Beyeler deve prima capire come le protesi visive interagiscono con il sistema visivo umano per modellare la percezione. Ha spiegato che un malinteso comune nel campo è che ogni elettrodo nell’array di microelettrodi di un dispositivo può essere pensato come un pixel in un’immagine o una minuscola area di illuminazione su uno schermo e che per generare un’esperienza visiva complessa, uno deve semplicemente attivare la giusta combinazione di pixel. La sua ricerca mostra, tuttavia, che l’esperienza visiva fornita dalle attuali protesi è fortemente distorta e non correlata al numero di elettrodi.

“I dispositivi attuali non hanno una risoluzione dell’immagine sufficiente per trasmettere una scena naturale complessa. Quindi, c’è bisogno di una semplificazione della scena”, ha detto Beyeler.

Un modo per semplificare la scena visiva e creare un’utile visione artificiale, secondo Beyeler, è attraverso la visione artificiale basata sull’apprendimento profondo, che può essere utilizzata per evidenziare gli ostacoli vicini o rimuovere il disordine sullo sfondo. La visione artificiale è un campo dell’intelligenza artificiale che consente a computer e sistemi di derivare informazioni importanti da immagini digitali, video e altri input visivi e intraprendere azioni o formulare raccomandazioni basate su tali informazioni. La visione artificiale si basa su telecamere, dati e algoritmi, piuttosto che retine, nervi ottici e una corteccia visiva.

Il progetto sarà incentrato sul paziente, coinvolgendo le persone in tutte le fasi del processo di progettazione. I pazienti saranno forniti dai suoi collaboratori in quattro Università in tutto il paese e in Spagna. Il team di Beyeler progetterà esperimenti che sondano il potenziale di un impianto per supportare la visione funzionale per compiti del mondo reale che coinvolgono il riconoscimento di oggetti, la comprensione della scena e la mobilità. Questo metodo si discosta dai tipici test visivi eseguiti nelle cliniche che misurano l’acuità, la sensibilità al contrasto e la discriminazione dell’orientamento.

A causa dei requisiti unici del lavoro con i destinatari dell’occhio bionico, come assistenza costante, tempo di installazione e viaggio, la sperimentazione rimane dispendiosa in termini di tempo e costo. Beyeler propone una soluzione provvisoria.

“Un’alternativa più economica e sempre più popolare potrebbe essere quella di affidarsi a un prototipo di realtà virtuale (VR) immersiva basato sulla visione protesica simulata (SPV)”, ha spiegato Beyeler.

Il metodo SPV classico si basa su soggetti vedenti che indossano un display VR montato sulla testa (HMD). I soggetti vengono quindi privati ​​della visione naturale e autorizzati a percepire solo i fosfeni visualizzati nell’HMD. Questo approccio consente ai partecipanti vedenti di “vedere” attraverso gli occhi dell’utente dell’occhio bionico mentre esplorano un ambiente virtuale. I ricercatori possono quindi manipolare la scena visiva in base a qualsiasi strategia di elaborazione delle immagini o miglioramento visivo desiderata.

“La sfida sul campo riguarda meno l’ideazione di nuove strategie di potenziamento e più la ricerca di rappresentazioni visive efficaci per supportare le attività pratiche e quotidiane”, ha affermato Beyeler. “Ecco perché, nel mio progetto, utilizziamo un sistema di prototipazione che ci consente di esplorare diverse strategie e scoprire cosa funziona prima di impiantare dispositivi nei pazienti”.

“In futuro”, ha affermato, “lo Smart Bionic Eye potrebbe essere combinato con il GPS per fornire indicazioni, avvertire gli utenti di pericoli imminenti nelle loro immediate vicinanze o persino estendere la portata della luce visibile con l’uso di un sensore a infrarossi, fornendo ciò che descrive come “visione notturna bionica”. Ma prima che tutto ciò possa accadere, è necessario affrontare le questioni scientifiche fondamentali”.

“Il successo di questo progetto si tradurrebbe in una nuova potenziale opzione di trattamento per la cecità incurabile, che colpisce quasi 40 milioni di persone in tutto il mondo”, ha affermato Beyeler, che prevede di mettere a disposizione della comunità scientifica tutti i software, gli strumenti e i dati del suo gruppo. “Nel complesso, questa sarà una fantastica opportunità per il mio laboratorio di contribuire in modo sostanziale nel campo del ripristino della vista e fare la differenza nel mondo”.

Fonte : UC Santa Barbara