Wie es ist, mit einer künstlichen Netzhaut wieder zu sehen

Elias Konstantopoulos erhält jeden Tag etwa vier Stunden lang fleckige Einblicke in die Welt, oder so lange er seine verlässt Argus II Netzhautprothese eingeschaltet. Der 74-jährige Einwohner von Maryland verlor vor über 30 Jahren aufgrund einer fortschreitenden Netzhauterkrankung sein Augenlicht, kann aber einige Dinge wahrnehmen, wenn er das bionische Sehsystem einschaltet.

Bionisches Sehen: Dieses von Deutschlands Retina Implant entwickelte lichtempfindliche Implantat enthält 1.500 Fotodioden.

Ich kann sehen, ob du vor mir stehst und ob du versuchst wegzugehen, sagt er. Oder wenn ich bei eingeschaltetem System auf einen großen Baum schaue, kann ich vielleicht etwas Dunkelheit sehen, und wenn es draußen hell ist und ich meinen Kopf nach links oder rechts bewege, kann ich verschiedene Schatten sehen, die mir sagen, dass da etwas ist. Man kann nicht sagen, was es ist, sagt Konstantopoulos.

Eine brillenmontierte Kamera erfasst Bilddaten für Konstantopoulos; Diese Daten werden dann von einem Mini-Computer verarbeitet, der an einem Gurt getragen wird, und an ein neuronenstimulierendes Array aus 60 Elektroden gesendet, das 2009 auf einer seiner Netzhaut implantiert wurde.

Fast 70 Menschen auf der ganzen Welt haben sich der dreistündigen Operation für das Netzhautimplantat unterzogen, das von den kalifornischen Zweiter Blick und zugelassen für den Einsatz in Europa im Jahr 2011 und in den USA Anfang dieses Jahres (siehe Bionisches Augenimplantat, das für US-Patienten zugelassen ist). Es ist das erste an Patienten verkaufte Implantat zur Wiederherstellung der Sehkraft.

Derzeit ist das System nur für Patienten mit Retinitis pigmentosa zugelassen, einer degenerativen Augenerkrankung, die rund um die Uhr auftritt einer von 5.000 Menschen weltweit, aber es ist möglich, dass Argus II und andere künstliche Netzhäute in der Entwicklung bei Menschen mit altersbedingter Makuladegeneration funktionieren, die Auswirkungen hat einer von 2.000 Menschen in entwickelten Ländern. Unter diesen Bedingungen gehen die Photorezeptorzellen des Auges (allgemein als Stäbchen und Zapfen bezeichnet) verloren, aber der Rest der neuronalen Bahn, die visuelle Informationen an das Gehirn übermittelt, ist oft noch funktionsfähig. Künstliche Netzhäute hängen von diesen verbleibenden Schaltkreisen ab und können daher nicht bei allen Formen der Blindheit funktionieren.

Viele Gruppen auf der ganzen Welt arbeiten an bionischen Bildverarbeitungssystemen, um verloren gegangene Photorezeptoren zu ersetzen. Die meisten verwenden eine Kamera, die mit einem implantierten Chip kommuniziert, jedoch variieren die Anzahl der Elektroden im Chip und die Tiefe des Chips in der Netzhaut. Wieder andere meiden die Kamera für lichtempfindliche Dioden im Chip.

Deutsches Unternehmen Netzhautimplantat , zum Beispiel, hat kürzlich Tests am Menschen mit seinem 1.500-Pixel-Implantat abgeschlossen, das nicht von einer Kamera abhängig ist, sondern stattdessen direkt Licht sammelt und diese Daten an die verbleibenden Neuronen überträgt (siehe Mikrochip stellt das Sehvermögen wieder her). Ein Photodiodenarray ersetzt die Photorezeptoren.

Beherrschende Ansicht: Das kalifornische Unternehmen Second Sight hat das Argus II-System entwickelt, das von einer Brillenkamera aufgenommene Bilddaten an ein Netzhautimplantat sendet.

Manche Menschen mit künstlicher Netzhaut können große Buchstaben lesen, langsam fahrende Autos sehen oder Geschirr erkennen. Andere Patienten erfahren keinen Nutzen. Die Variation kann in einigen Fällen auf die genaue Platzierung des Neuronen-stimulierenden Arrays in der hauchdünnen Netzhaut sowie auf den Zustand der verbleibenden Neuronen und Bahnen im Auge jedes Einzelnen zurückgeführt werden. Wichtig ist auch, wie gut Menschen den Umgang mit dem Gerät erlernen und ihr Gehirn umschulen können.

Patienten scannen ihre Umgebung und verwenden ihr Gedächtnis, um zu rekonstruieren, was sie sehen, sagt Raymond Iezzi , einem Kliniker-Wissenschaftler, der Netzhautoperationen in der Mayo Clinic in Rochester, Minnesota, durchführt. Er vergleicht die Scan-Strategie mit dem Ziehen eines Pinsels über ein Gemälde. Patienten müssen die Lücken ausfüllen, um die visuelle Eingabe mit einem Lexikon von Substantiven zu verbinden, und dies erfordert ein erhebliches Maß an kognitiven Fähigkeiten, sagt Iezzi.

Im besten Fall ist das aktuelle Sehvermögen sehr pixelig. Was zu sehen ist, sind Lichtausbrüche, die Phosphene genannt werden. Es ist keine wirklich naturalistische Vision, sagt Iezzi. Second Sight sagt, dass die Sehschärfe mit seinem Argus II 20/1.260 beträgt und Retina Implant sagt, dass die beste Sehschärfe, die mit seinem Gerät erreicht wird, 20/1.000 beträgt. Zum Vergleich: normales Sehvermögen beträgt 20/20 und die gesetzliche Blindheitsschwelle in den USA beträgt 20/200 (was bedeutet, dass eine Person ein Objekt aus 6 m Entfernung sehen kann, das eine normalsichtige Person aus 60 m Entfernung sehen kann).

Es ist nicht die Wiederherstellung der Sehkraft wie Sie und ich, sondern die Wiederherstellung der Mobilität, sagt Stephen Rose , Chief Research Officer der Foundation Fighting Blindness. Sie bieten einen Kontrast, damit jemand einen Unterschied zwischen Hell und Dunkel erkennen kann, bis er erkennen kann, wie man durch eine Tür geht, sagt er. Dies ist so ziemlich der Anfang.

Netzhautprothesen befinden sich in dem Stadium, in dem Cochlea-Implantate vor 30 Jahren waren, sagt Anthony Burkitt , Regisseur von Bionic Vision Australien , einem Konsortium von Forschern, das ein Netzhautimplantatsystem entwickelt. Diese Technologie habe sich von einer Hilfe beim Lippenlesen zu einem Punkt entwickelt, an dem Kinder mit einem Cochlea-Implantat die normale Schule besuchen und sogar Mobiltelefone benutzen können, sagt Burkitt. Wir wissen jetzt, dass Netzhautimplantate einen klinischen Nutzen für Patienten haben, und ich denke, wir werden sehen, wie sich diese Technologie in den nächsten zehn Jahren sehr schnell entwickeln wird.

Experten sind sich einig, dass eine Möglichkeit zur Verbesserung des Sehvermögens dieser Systeme darin besteht, mehr stimulierende Elektroden hinzuzufügen. Second Sight beispielsweise plant, in einem zukünftigen Modell von 60 auf 240 Elektroden umzustellen.

Aber für die Gesichtserkennung und andere detaillierte Sehaufgaben werden wahrscheinlich Tausende von Pixeln benötigt, und viele Technologien der künstlichen Netzhaut werden Schwierigkeiten haben, eine so große Anzahl von Pixeln zu erreichen, weil sie von Drähten abhängig sind, sagt Daniel Palanker , Biophysiker an der Stanford University. Drähte werden verwendet, um eine Stromversorgung mit Elektroden zu verbinden, was einen chirurgischen Eingriff erfordert, um die Verbindung durch den Augapfel zu legen. Um diese Einschränkung zu umgehen, entwickeln Palanker und Kollegen ein drahtloses System, das die von einer Videokamera aufgenommenen Bilddaten auf einen Photovoltaik-Chip im Auge überträgt. Anstatt sichtbares Licht auf den Chip zu übertragen, verwendet sein System Nahinfrarotlicht, das auf flexible Anordnungen kleiner Pixel in der Netzhaut gestrahlt wird. Das Team hat das System an blinden Ratten getestet und arbeitet nun mit einem Unternehmen zusammen, um das Gerät an Patienten zu testen.

Aber selbst Tausende von Pixeln sind weit entfernt von einer Million, was ungefähr das ist, was wir im natürlichen Auge haben, sagt Shawn Kelly , Elektroingenieur an der Carnegie Mellon University in Pittsburgh. Und selbst dann gibt es eine Menge Verarbeitung durch die Netzhaut, die wir mit einer künstlichen Netzhaut überspringen werden.

Wenn Photorezeptoren Licht erkennen, wandeln sie diese Informationen in chemische Signale um, die andere Neuronentypen stimulieren, die Bewegung, Farbe und andere Details aus den Signalen verarbeiten und dann die Informationen an den Sehnerv weiterleiten, der mit dem Gehirn verbunden ist. Je nachdem, wo die stimulierenden Arrays platziert sind, lassen künstliche Netzhäute eine oder mehrere Schichten der Informationsverarbeitung aus.

Die Art und Weise, wie wir mit dem Nervensystem kommunizieren, ist funktional, aber nicht natürlich, sagt Kelly. Ich denke, es wird lange dauern, Wege zu entwickeln, um ein besseres Sehvermögen zu erhalten, und ich glaube nicht, dass dies jemals ganz natürlich sein wird.

Dennoch ist das Gehirn bemerkenswert anpassungsfähig und kann lernen, auch fremde Informationen zu verarbeiten. Wir verlassen uns auf die Plastizität des Gehirns, um diese neue Sprache der Stimulation neu zu erlernen und eine vernünftige Sicht zu ermöglichen, sagt Palanker. Die Bestätigung, dass dies eine vernünftige Annahme ist, kommt aus dem Bereich der Cochlea-Implantate.

Menschen mit künstlicher Netzhaut erreichen mit der Zeit ein besseres Sehvermögen. Tim Reddish, ein 55-jähriger Einwohner von Nottingham, England, der aufgrund einer Retinitis pigmentosa sein Sehvermögen verloren hat, wurde im November ein Retina-Implantat implantiert und hat in den dazwischen liegenden Monaten beeindruckende Ergebnisse erzielt. Er geht davon aus, dass sich seine Fähigkeiten weiter verbessern werden. In der Laborumgebung sagt Reddish, ein mit Goldmedaillen ausgezeichneter ehemaliger paralympischer Schwimmer, er kann Besteck und Glaswaren identifizieren und sogar die Zeit von einer kontrastreichen Uhr ablesen. Draußen, sagt er, erkenne er Gebäudelinien mit Glastüren und die Scheinwerfer langsam fahrender Autos bei Nacht. Er hofft, dass ihm im kommenden Sommer eine strahlendere britische Sonne und kontinuierliches Üben helfen werden, mehr zu sehen.

Die Sehschärfe ist nicht die einzige Herausforderung für diese Geräte. Die harten Chips auf Siliziumbasis befinden sich in einem äußerst empfindlichen Gewebe, das Teil einer mit Flüssigkeit gefüllten beweglichen Kugel ist. Chips können verrutschen. Darüber hinaus müssen die implantierten Geräte den harten Bedingungen des Körpers jahrelang standhalten, ohne ihren Benutzern zu schaden. Von sehr langer Sicherheit werden wir noch jahrelang nichts wissen, sagt Rose.

Obwohl es das Ziel vieler Forscher ist, sich dem natürlichen Sehen zu nähern, die künstliche Netzhäute entwickeln, ziehen einige eine breitere Welt des Lichts in Betracht. Einige Kameras arbeiten in Wellenlängen, die selbst Menschen nicht sehen, so dass möglicherweise blinde Patienten [ein Second Sight-System] verwenden, um Dinge zu sehen, die andere nicht sehen können, sagt Brian Mech, Vice President of Business Development bei Second Sight. Das Unternehmen arbeitet auch an einer Idee, die auf eine Netzhautstimulation verzichten würde, um direkt den visuellen Kortex zu stimulieren, die Gehirnregion, die Bilder verarbeitet. Anstatt nur äußere Netzhautdegenerationen behandeln zu können, könnten wir im Wesentlichen Blindheit aus jeglicher Ursache behandeln, sagt Mech.

In der Zwischenzeit werden die Forscher die Systeme weiter optimieren und versuchen, denjenigen, die sie verloren haben, mehr Sehkraft zurückzugeben, und Patienten wie Konstantopoulos sind gespannt auf ihre Fortschritte. Selbst dieser Schatten, den ich vor mir sehen kann, sei es eine Person oder etwas anderes, ist etwas aus dem Nichts, sagt Konstantopoulos. Es macht Sie fühlen und hoffen, dass bald etwas Besseres kommt.

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