Das menschliche Auge entschlüsseln

Künstliche Netzhäute befinden sich bereits in klinischen Studien am Menschen an der University of Southern California, wo sie blinden Patienten geholfen haben, Wände von Türen zu unterscheiden und sogar Fußballspiele zu sehen, wenn auch als Bewegungsunschärfe. Aber um sich dem normalen Sehvermögen anzunähern – und möglicherweise dem Menschen das Lesen zu ermöglichen – werden Geräte benötigt, die elektrischen Strom mit viel größerer Kontrolle und Präzision liefern können. Ein neuer, dicht mit Elektroden bestückter Chip, entwickelt von Wissenschaftlern der University of California, Santa Cruz (UCSC), ist der erste Schritt in diese Richtung.

Prüfstand: Ein 512-Elektroden-Array (goldener Kreis), das Detektoren zum Einfangen von Teilchen in der Hochenergiephysik nachempfunden ist, hilft bei der Entschlüsselung des neuronalen Codes der Netzhaut. Die Erkenntnisse werden beim Design zukünftiger Netzhautprothesen helfen.

Der Chip wird derzeit in der Forschung eingesetzt und kann einzelne Zellen in Netzhautproben stimulieren und aufzeichnen. Die Technologie wird Einblicke geben, wie die Netzhaut Informationen kodiert und wie diese Kodierung nachgeahmt werden kann – Lektionen, die bei der Entwicklung der nächsten Generation von Netzhautimplantaten von entscheidender Bedeutung sein werden. Weiter unten könnte eine Version der Technologie verwendet werden, um visuelle Informationen über den Sehnerv zu senden.

Die Netzhaut ist ein sehr ausgeklügeltes visuelles Informationsverarbeitungsgerät, sagt Alan Litke , ein Physiker an der UCSC, der seine Expertise in der Neurobiologie einsetzt. Damit ein menschlicher Patient eines Tages normale Sehfunktionen wie das Lesen erreicht, müssen Sie ein sehr genaues Maß an Kontrolle haben.

Die Netzhaut ist eine dünne Zellschicht auf der Rückseite des Auges; Photorezeptorzellen in der Netzhaut erkennen Licht und senden Signale an die Ganglienzellen der Netzhaut, die dann die Signale über den Sehnerv an das Gehirn weiterleiten. Bei Makuladegeneration und Retinitis pigmentosa, zwei Hauptursachen für Erblindung, werden Photorezeptorzellen geschädigt, aber die verbleibenden retinalen Ganglienzellen bleiben weitgehend intakt. Künstliche Netzhäute, die auf eine externe Kamera angewiesen sind, um visuelle Informationen zu erfassen, bestehen aus einem Prozessor, der diese Informationen in einen elektrischen Code übersetzt, der für die Nervenzellen des Auges verständlich ist, und einem Chip, der mit winzigen Elektroden übersät ist, die die elektrischen Signale an die Netzhaut übertragen Ganglienzellen.

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• Sehen Sie sich Bilder einer künstlichen Netzhaut und deren Auswirkungen auf das Sehvermögen an.

Litke und seine Mitarbeiter haben ihren Chip den Silizium-Mikrochip-Detektoren nachempfunden, die Supercollider auskleiden, um Anzeichen von schwer fassbaren, hochenergetischen, subatomaren Teilchen wie dem Higgs-Boson zu erfassen. Unter Verwendung üblicher Fertigungstechniken für integrierte Schaltungen bauten die Forscher mehr als 500 Elektroden und Verstärker auf einen kleinen Glasstreifen auf. Es gibt andere kommerzielle Mehrelektroden-Aufzeichnungssysteme, aber das Team von UCSC hat die Technologie wirklich vorangetrieben, indem es ein System entwickelt hat, das in der Lage ist, viel mehr neuronale Reaktionen aufzuzeichnen, sagt Matt McMahon, ein Wissenschaftler bei Zweiter Blick , das Unternehmen mit Sitz in Sylmar, Kalifornien, das die in der USC-Studie verwendeten Netzhautprothesen entwickelt. Second Sight verwendet Litkes Gerät, um das Design zukünftiger Prothesen zu beeinflussen. Das Gerät der ersten Generation des Unternehmens hatte 16 Elektroden, das Gerät der zweiten Generation, das derzeit am Menschen getestet wird, hat 60, und eine 200-Elektroden-Version ist in der Entwicklung. (Siehe Netzhautimplantat der nächsten Generation .)

Mit dem UCSC-Gerät können Wissenschaftler einzelne Ganglienzellen der Netzhaut präzise steuern, eine Fähigkeit, die bei Implantaten der nächsten Generation von entscheidender Bedeutung sein wird. Einer der Gründe, warum die derzeit am Menschen getesteten Prothesen eine begrenzte Auflösung haben, besteht darin, dass sie Hunderte von Zellen gleichzeitig stimulieren. (Der Durchmesser der Elektroden ist um eine Größenordnung größer als der der meisten Zellen.) Die Elektroden mit einem Durchmesser von fünf Mikrometern in Litkes Chip haben die Größe retinaler Ganglienzellen und können so einzelne Zellen stimulieren. Die Forscher zeigten zuvor, dass sie mit einer 60-Elektroden-Version des Chips mehrere Zellen gleichzeitig steuern können und entwickeln eine Version mit 512 Elektroden.

Jetzt, da Wissenschaftler eine Technologie mit einer so präzisen Kontrolle entwickelt haben, verwenden sie sie, um die Sprache der Netzhaut zu studieren – eine Sprache, von der sie hoffen, dass sie letztendlich in der Lage sein wird, Prothesen zu sprechen. Während die Netzhaut oft mit einer Kamera verglichen wird, ist sie in Wirklichkeit viel komplizierter. Lichtsignale werden in der Netzhaut erfasst und verarbeitet; die sequenzen elektrischer impulse, die von den verschiedenen und unterschiedlichen retinalen ganglienzelltypen an das gehirn gesendet werden, kodieren verschiedene aspekte des visuellen feldes, wie bewegung, räumliche muster, farbe. Aktuelle Prothesen verwenden einen vereinfachten Code und verlieren dadurch Informationen, ebenso wie der Morsecode die nuancierte Intonation des gesprochenen Wortes und die Mimik des Sprechers verliert. Was sind die Muster, die wirklich nachahmen, was die gesunde Netzhaut tun würde? fragt Alexander Sher, wissenschaftlicher Mitarbeiter am UCSC, der mit Litke zusammenarbeitet. Wenn Sie an dem Punkt sind, an dem Sie einzelne Zellen stimulieren können und wissen, wie einzelne Zellen Informationen kodieren, können Sie das genau oder fast genau simulieren.

Wissenschaftler von Second Sight sagen, dass die Lehren aus diesen Studien entscheidend für die Entwicklung von Prothesen der nächsten Generation sein werden. Es wird jedoch eine Herausforderung sein, das Gerät der UCSC-Forscher in ein Implantat zu verwandeln, das für das menschliche Auge geeignet ist. Viele technische Überlegungen hindern uns daran, auf wirklich winzige Elektroden zu springen, sagt McMahon. Das erfordert Weiterentwicklungen in der Elektronik sowie im Packaging und in der Software.

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