Rolul esențial al ciberneticii în crearea urechii bionice (articol de Graeme Clark)

D-le Profesor Iven Mareels și distinși invitați,

În această seară sărbătorim marile contribuții științifice ale lui Norbert Wiener, care a fost un pionier în cercetarea proceselor stocastice și este considerat fondatorul ciberneticii. El a definit cibernetica drept studiul științific al sistemelor de control și comunicare, atât la animal, cât și la mașină (cuvânt derivat de Wiener în 1948 din greacă – κυβερνητης înseamnă a conduce sau a guverna). Studiul ciberneticii este important pentru inginerie, controlul sistemelor, informatică, biologie, neuroștiință, filozofie și organizarea societății.

(…) În 1967, când mi-am propus să văd dacă am putea realiza stimularea electrică a nervului auditiv la o ureche defectuoasă și restabili înțelegerea vorbirii la persoanele cu surzitate profundă, nu mi-am dat seama că acest lucru intra în domeniul ciberneticii. Făcându-l, am ajuns să învăț că neurofiziologia și electronica îmi erau, ambele, necesare pentru a obține un rezultat de succes.

Graeme Clark cu emblematicul său exemplu: un fir de iarbă, care simulează un fascicul de electrozi, pătrunde într-o cochilie, care reprezintă spirala urechii interne, suficient de mult pentru a efectua stimularea multicanal a frecvențelor vorbirii. Vârful electrodului trebuia să fie flexibil, iar baza, mai rigidă – așa cum este firul de iarbă. Viziunea prof. Clark a fost confirmată ulterior prin studii biomecanice de modelare.

Importanța acestei relații poate fi apreciată corect atunci când luăm în considerare că există aproximativ 1 trilion de celule excitabile în organism – cum ar fi cele din creier, nervi și mușchi. Fiecare celulă are o tensiune de 70 mV, adică 1/20 din cea a unei baterii AAA. Suntem astfel formați din peste 20 de miliarde de baterii! În plus, regretatul profesor Donald MacKay de la Universitatea Keel din Marea Britanie a spus că creierul poate fi cel mai bine descris nu ca un computer, ci ca o vastă rețea de microcalculatoare conectate. În plus, s-a crezut că experiențele conștiente dobândite prin simțuri nu sunt altceva decât tiparul activității electrice din creier; dar conform cu studiile mele clinice, conștiența merge mai adânc decât aceasta și, în fapt, se datorează modificărilor proteinelor din celulele cerebrale. Cred că „suntem” și proteine ​​interconectate, nu doar circuite electrice!

Astfel s-a născut prima mea provocare: să dezvoltăm un implant cohlear suficient de bun care să pună neurofiziologia și electronica împreună, în sprijinul persoanelor surde. A fost necesar să înțelegem cum au fost percepute modelele de răspuns neuronal și, apoi, cum au fost experimentate aceste percepții în mod conștient, ca vorbire. Astfel am dezvoltat, în colaborare cu Departamentul de Inginerie Electrică al Universității din Melbourne, o cutie de circuite electronice implantabile pentru stimularea multicanal a unei serii de fibre nervoase din urechea internă. În 1978, acesta era cel mai complex pachet de circuite electronice care fusese introdus chirurgical într-un pacient.

Apoi, în același an 1978, cea mai semnificativă descoperire a noastră a avut loc când am înțeles că stimularea diferitelor puncte de frecvență din urechea internă nu era percepută doar ca tonalitate, așa cum se întâmplă cu undele sonore, ci ca vocale. Vocalele variau în funcție de locul în care aplicam stimulul în urechea internă, pentru frecvențele de rezonanță ale vorbirii. Rezonanța depindea de forma cavității bucale. Această descoperire a indicat faptul că conexiunile neuronale se aranjau astfel încât să poată decodifica informații care, din punct de vedere perceptiv, erau interpretate ca vorbire.

Descoperirea unui „cod al vorbirii” la primul nostru pacient a făcut din implant prima proteză care oferă înțelegerea vorbirii persoanelor cu surzitate profundă, folosind doar stimularea electrică. Acest lucru s-a întâmplat și pentru un al doilea pacient, care a fost surd mulți ani, indicând că experiența conștientă a vorbirii ar putea rămâne latentă prin conexiunile sinaptice reținute în celulele creierului și prin învelirea proteinelor din celule. A fost interesant să realizez că ne aflam în fața primei proteze senzorial-neurale care punea, în mod eficient, tehnologia electronicii într-o relație funcțională cu conștiința umană.

Când proteza a oferit limbaj verbal copiilor mici al căror creier nu fusese niciodată expus la vorbire, și a fost aprobată apoi de Administrația SUA pentru Alimente și Medicamente, ea a devenit primul ajutorul pe care copiii cu surzitate profundă l-au primit pentru a comunica verbal, în ultimii 250 de ani.

Clark și Rod Saunders, primul pacient pe care a fost testat un implant, cu prototipul dispozitivului, realizat de Universitatea din Melbourne și cu dispozitivul portabil care incorpora strategia ainițială de codificare.

Un test pentru Rod Saunders. Relativ curând după intervenția chirurgicală, echipa prof. Clark a făcut cea mai importantă descoperire, care a condus la o strategie eficientă de codificare pentru înțelegerea vorbirii: aceea că „timbrul” pentru frecvența de stimulare locală se corela cu percepția vocală și cu frecvența formantului doi al vocalei experimentate. Astfel, a fost evidențiat faptul că creierul răspundea la acest model de stimulare, pentru percepția tonului și experiența conștientă a vorbirii. Rod a perceput sunete la stimularea unor regiuni diferte de frecvență ale cohleei. Stimularea capătului apical al cohleei a fost percepută ca având intensitate scăzută, iar vocalele experimentate aveau frecvențe joase, în timp ce stimularea capătului bazal al cohleei a fost percepută ca ascuțită și experimentată ca vocale, cu frecvențe mari.

În plus, succesul urechii bionice a dus și la crearea unei noi discipline care, în 2003, a fost denumită bionică medicală. Această disciplină presupune intersectarea între nanotehnologie, electronică, factorii trofici, celule stem și biomateriale pentru a obține cele mai bune rezultate. Un astfel de centru de bionică medicală ar putea duce la 1) crearea de măduvă a spinării bionică; după cum știm, în măduva spinării afectată de leziuni există celule viabile care pot fi stimulate; 2) crearea de ochi bionici, deoarece stimularea retinei sau a cortexului vizual ar putea duce la suficiente puncte luminoase pentru a obține acuitate vizuală; 3) control asupra convulsiilor (epileptice); cu ajutorul electrozilor cerebrali profunzi avem la dispoziție suficient timp pentru a înregistra anomalii de ritm cerebral și putem astfel acționa pentru a controla crizele epileptice; și 4) absorbția mai bună a medicamentelor, deoarece interfețele nanostructurate concepute în acest scop se dovedesc a deschide posibilități interesante în terapia medicală.

În sfârșit, aș dori să-i felicit pe prof. Iven Mareels și pe toți cei asociați cu acest simpozion de mare succes care ar trebui să ducă la realizarea viziunii lui Norbert Wiener. Sper că veți ușura din povara presantă a unor cercetări convergente, pentru a atinge generația următoare de progrese științifice destinate bunăstării umanității. Acest domeniu este cu adevărat unul în care se vor înregistra inovații interesante.

Traducere și adaptare după sursă.