Паван Синха: Как мозг учится видеть

Если вы – слепой ребенок в Индии, то, скорее всего, вам придется бороться как минимум с двумя серьезными проблемами. Первая проблема заключается в том, что шансы получить лечение стремятся к нулю, потому что большинство программ реабилитации слепоты в стране ориентированы на взрослых, и там очень, очень мало больниц, оснащенных для лечения детей. По сути, если бы вас и лечили, скорее всего, это бы делал человек без медицинского диплома, как показывает этот случай в штате Раджастхан. Это трехлетняя осиротевшая девочка, у которой была катаракта. Опекуны девочки отвезли ее к деревенскому лекарю, и вместо того, чтобы предложить опекунам отвезти девочку в больницу, он решил прижечь ей живот раскаленным железом, чтобы изгнать из девочки демонов. О второй проблеме вам сообщат неврологи, которые скажут, что если вы старше четырех-пяти лет, то даже если вам вылечат глаза, шансы на то, что ваш мозг научится видеть, очень и очень малы. Малы либо отсутствуют.

Когда я услышал об этих проблемах, они глубоко встревожили меня, как по личным причинам, так и по научным. Позвольте начать с личного. Это прозвучит банально, но это правда. Это мой сын Дариус. Как новоиспеченный отец, я совершенно иначе понимаю, насколько дети чувствительны, какие у нас перед ними обязательства, и как сильно мы способны любить их. Я бы свернул горы ради лечения Дариуса. И для меня тот факт, что в мире могут быть другие Дариусы, которые не получают лечения, совершенно несправедлив. Это моя личная причина.

Научная причина состоит в представлении в неврологии критического периода развития, будто, если мозг старше четырех-пяти лет, то он теряет способность к обучению, что противоречит моим представлениям, так как я думаю, что эта идея не была адекватно проверена. Идея берет свое начало в работах Дэвида Хьюбела и Торстена Визеля, двух гарвардских исследователей, которые получили Нобелевскую премию в 1981 году за исследования физиологии зрения, замечательные исследования, но я думаю, что некоторые их идеи были экстраполированы на человека преждевременно. Они работали с котятами, подвергая их различным видам депривации, и те знания, полученные еще в 60-х годах, сейчас применяются к человеческим детям.

Я понял, что должен сделать две вещи. Первая: предоставить медицинский уход детям, которые в данный момент не обеспечены лечением. И это гуманитарная миссия. Научной миссией станет поиск предела зрительной приспосабливаемости. Можно сказать, что эти две миссии отлично сочетаются и дополняют друг друга. На самом деле, одна невозможна без другой. Чтобы выполнить эту двойную миссию, несколько лет назад я запустил проект Пракаш. «Пракаш», как вы знаете, в переводе с санскрита – «свет», и идея заключается в том, что, принося свет в жизни детей, мы получаем шанс пролить свет на некоторые из самых сложных загадок неврологии. Эмблема, несмотря на крайне ирландский вид, на самом деле произошла от индийского символа – Дия, глиняной лампы. В общем, замысел проекта состоит из трех этапов: социальная программа для определения, каким детям нужна помощь, лечение и последующие исследования. Я хочу представить вам короткий видеоролик, в котором показаны два первых этапа работы.

Это социальный центр, организованный в школе для слепых.

Текст: У большинства детей полная, хроническая слепота…

Паван Синха: Так как это школа для слепых, многие дети там с хроническими заболеваниями. Это – случай микрофтальмии, то есть недоразвитых глаз, и это хроническое заболевание. Оно не лечится. Это крайний вариант микрофтальмии, называемый энофтальмом. Но время от времени мы наталкиваемся на детей, у которых обнаруживается остаточное зрение, и это очень хороший знак, говорящий о том, что от заболевания можно избавиться. После осмотра мы доставляем детей в больницу. Это больница в Дели, где мы работаем, Schroff Charity Eye Hospital. Там есть очень хорошо оборудованный педиатрический офтальмологический центр, который стал возможным отчасти благодаря благотворительности Рональда МакДональда. Питание гамбургерами иногда и правда полезно.

Текст: Такие обследования позволяют нам повысить здоровье зрения у многих детей и помогают найти детей, которые смогут участвовать в проекте Пракаш.

ПС: Сейчас камера приблизится к глазам ребенка, вы увидите причину его слепоты. Белые пятна в центре его зрачков – это врожденная катаракта, которая замутняет хрусталик глаза. Хрусталики наших глаз прозрачны, но хрусталики этого ребенка стали непрозрачны, и поэтому он не может видеть мир. Итак, ребенок получает лечение. Вы увидите снимки глаза. Здесь глаз еще с мутным хрусталиком, здесь хрусталик извлечен, а здесь в глаз вставлен акриловый хрусталик. Здесь этот же ребенок через три недели после операции, с открытым правым глазом.

Даже после этого маленького ролика становится ясно, что выздоровление возможно, и сейчас мы обеспечиваем лечение более чем 200 детям, и история с ними повторяется. После лечения ребенок получает значительные возможности. В действительности так происходит, даже если человек получил зрение после нескольких лет слепоты. Несколько лет назад мы написали статью о женщине, на фотографии она справа, она стала видеть в пожилом возрасте, и для ее возраста у нее замечательное зрение. Я должен сделать трагическое замечание. Два года назад она погибла в автокатастрофе. Ее история в самом деле вдохновляет, малоизвестная, но вдохновляющая история. И когда мы стали получать такие результаты, вы можете представить, что это вызвало много шума в научной и популярной прессе. Вот статья в журнале «Nature», описывающая нашу работу, и еще одна в «Time». Мы были достаточно уверены, мы и сейчас уверены, что восстановление возможно, несмотря на продолжительную слепоту.

Напрашивается очевидный вопрос: как идет процесс восстановления? Мы исследуем процесс следующим образом. Допустим, мы нашли ребенка, чувствительного к свету. Ребенку предоставляется лечение, и я хочу подчеркнуть, что лечение совершенно бесплатно. Мы не требуем компенсаций. Лечение получают и многие дети, с которыми мы не работаем. Каждого нуждающегося в лечении ребенка лечат. После лечения примерно каждую неделю ребенок проходит ряд простых проверок, которые позволяют понять, как его зрение приходит в норму. И мы стараемся делать это как можно дольше. Этот путь развития дает нам беспрецедентную и невероятно ценную информацию о том, как поддерживаемое зрение восстанавливается. Какие причинные связи могут быть между рано развивающимися способностями и теми, которые появляются позже?

Мы использовали общепринятый подход для исследования множества различных зрительных способностей, но я хочу особо выделить одну из них, это разбиение изображения на объекты. Любое изображение, подобное картинке слева, будь это реальное или искусственное изображение, состоит из маленьких областей, которые вы видите посередине, областей разных цветов и разной яркости. Перед мозгом стоит сложная задача совмещения и объединения подмножеств этих областей в нечто более осмысленное, в то, что мы можем считать объектами, что вы и видите справа. И никто не знает, как это происходит. Это вопрос, которым мы задаемся в проекте Пракаш.

Вот что происходит вскоре после восстановления зрения. Этот человек получил зрение всего пару недель назад, и вы видите, как Этан Майерс, аспирант из Массачусетского технологического института, проводит с ним эксперимент. Его зрительная координация очень слаба, но вы можете видеть, какие именно области он пытается распознать. Если показать ему изображения реального мира, если показать реальный мир любому человеку вроде него, он не сможет распознать большинство объектов, потому что мир для него излишне фрагментирован, для него это коллаж, пестрая мозаика из областей разного цвета и яркости. Такие области выделены зеленым контуром. Если попросить его показать, где находятся объекты, даже если он не может их назвать, он покажет на эти области. Таким образом, мир – это сложная мозаика из таких областей. Даже тень на мяче становится отдельным объектом. Довольно интересно, что через несколько месяцев происходит следующее.

Доктор: Сколько здесь объектов?

Пациент: Два объекта.

Доктор: Какой они формы?

Пациент: Формы… Вот это круг, а это квадрат.

ПС: Произошло существенное изменение. Возникает вопрос: что лежит в основе этого изменения? Это глубокий вопрос, и особенно поражает то, как прост ответ на него. Ответ заключается в движении, и я хочу показать это в следующем видео.

Доктор: Какие фигуры вы видите?

Пациент: Я не могу разобрать.

Доктор: А сейчас?

Пациент: Треугольник.

Доктор: Сколько здесь объектов? А сейчас, сколько здесь объектов?

Пациент: Два.

Доктор: Что это за объекты?

Пациент: Квадрат и окружность.

ПС: И мы видим эту закономерность снова и снова. Именно динамическая информация нужна зрительной системе, чтобы распознавать мир. Таким образом, на основе этого и некоторых других экспериментов, мы делаем вывод, что обработка динамической информации, или обработка движения, служит основной для построения всей системы визуальной обработки. На ней основана визуальная интеграция, а затем и распознавание.

Эта простая идея имеет далекоидущие последствия. Позвольте кратко сказать о двух. Первое из области инженерии, а второе из области медицины. Итак, с позиции инженерии мы можем задать вопрос, зная, что движение так важно для человеческой зрительной системы, можем ли мы использовать этот подход при создании искусственной зрительной системы, которая может самообучаться, которую не должен программировать программист-человек. Именно это мы и пытаемся сделать.

Я из MIT, а там нужно применять любые знания, которые у вас есть. И мы создаем систему «Дилан», это вычислительная система с претенциозной задачей: получать визуальные сигналы, подобные тем, что получает человеческое дитя, и самостоятельно выяснять, какие объекты находятся в поле зрения. Не задумывайтесь о внутренностях Дилана. Сейчас я хочу рассказать о том, как мы его тестировали. Мы тестировали Дилана, подавая ему видео того же рода, как я говорил, что видят дети, участвующие в проекте Пракаш. Но довольно долго мы не могли понять, как мы можем получить подобное видео. И я подумал, что мы можем сделать Дариуса носителем нашей бэби-камеры, и таким образом обеспечивать Дилана нужными сигналами. Вот что мы сделали. Мне пришлось долго уговаривать жену. Пэм, если ты смотришь эту программу, прости меня, пожалуйста.

Мы скорректировали оптику камеры так, чтобы имитировать остроту зрения малыша. Возможно, вы знаете, что дети рождаются практически слепыми. У них острота – у нас это 20/20 – острота у малышей примерно 20/800, это значит, что они видят мир в очень, очень размытом виде. Вот как выглядит видео с детской камеры.

К счастью, в этом ролике нет звуковой дорожки. И удивительно, что работая с таким сильно размытым изображением, малыш очень быстро способен находить в этом изображении смысл. А через два или три дня малыш начинает обращать внимание на лицо своей матери или отца. Как это происходит? Мы хотим, чтобы Дилан был способен на это. И пользуясь этой мантрой движения, Дилан на самом деле делает это, даже получая изображение подобного качества. Всего через шесть-семь минут просмотра видео Дилан начинает выделять участки, содержащие лица. Это существенное доказательство силы движения.

А вот медицинское последствие касается области аутизма. Несколько исследователей связывают визуальную интеграцию с аутизмом. Когда мы узнали об этом, мы задали вопрос: может ли нарушение визуальной интеграции быть проявлением какого-то подспудного дефекта обработки динамической информации при аутизме? Потому что, если это предположение верно, то это окажет огромное влияние на наше понимание причин проявления различных аспектов фенотипа аутизма.

Сейчас вы увидите на видео двух детей, играющих в «понг», один из них с аутизмом, другой без. Пока ребенок играет в «понг», мы следим за тем, куда он смотрит. Красные точки показывают, куда направлен взгляд, это нейротипичный ребенок, и вы видите, что ребенок может извлекать подсказки из динамической информации, чтобы предугадать, куда прилетит шарик. Еще до того, как шарик достигнет места, ребенок уже смотрит туда. Теперь посмотрите, как в ту же игру играет ребенок с аутизмом. Вместо того, чтобы предугадывать, он постоянно смотрит туда, где находится шарик. Эффективность использования динамической информации при аутизме кажется значительно сниженной. Мы продолжаем работать в этом направлении, и, надеюсь, скоро мы получим еще больше результатов.

Забегая вперед, если представить, что этот круг символизирует всех детей, которых мы уже вылечили, то вот это – реальный объем задачи. Красные точки – это те дети, которых мы не лечили. Таким образом, еще очень много детей нуждаются в лечении, и для того, чтобы расширить рамки проекта, мы планируем открыть детский центр Пракаш, в котором будет специальная педиатрическая больница, школа для детей, которых мы лечим, а также передовой исследовательский центр. Центр Пракаш объединит здравоохранение, образование и исследования так, что это несомненно сделает его чем-то большим, нежели сумма его частей.

Подводя итог, Пракаш за свои пять лет существования оказал влияние на несколько областей, таких как неврология, приспосабливаемость и обучаемость мозга, медицински важные гипотезы касательно аутизма, разработка автономной машинной зрительной системы, обучение студентов и аспирантов, и, что важнее всего, на реабилитацию детской слепоты. И для моих студентов, и для меня это было феноменальным опытом, потому что мы провели интересное исследование, и в то же время помогли многим детям, с которыми работали.

Перевод: Сергей Сковородкин
Редактор: Андрей Прищенко

Источник