Künstliche Retina könnte den Blinden den Anblick wiederherstellen

Zwei Forscher in den USA haben einen großen Schritt in Richtung Technologie gemacht, um blinden Menschen zu helfen: Sie haben eine künstliche Netzhaut geschaffen, die bei blinden Mäusen das normale Sehvermögen wiederherstellt. Und sie haben bereits einen Weg gefunden, ein ähnliches Gerät für Affen zu entwickeln, das sie hoffentlich schnell für den menschlichen Gebrauch neu entwerfen und testen können.
Künstliche Retinas sind keine neue Erfindung, jedoch erzeugen die bisher hergestellten nur raue Sichtfelder, in denen der Benutzer Lichtpunkte und -kanten sieht, die ihm bei der Navigation helfen.
Aber die Sheila Nirenberg und Chethan Pandarinath am Weill Cornell Medical College in New York haben es Tieren ermöglicht, Gesichtsmerkmale zu erkennen und bewegte Bilder zu verfolgen.
Sie melden ihren Durchbruch online in der Ausgabe vom 13. August Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften (PNAS).

Einzigartiges Merkmal: codierte neurale Signale

Ihre künstliche Netzhaut ist anders, weil sie ein einzigartiges Merkmal enthält: den neuralen Code, den die Netzhautzellen verwenden, um die visuelle Information an das Gehirn zu übermitteln. Die Kombination des Codes mit der Fähigkeit, eine große Anzahl lichtempfindlicher Zellen zu stimulieren, erzeugt ein System, das dem Gehirn die richtige Menge und Art von Informationen gibt, um "sehen" zu können.
Leitende Autorin Nirenberg, eine Computational Neurowissenschaftlerin bei Weill Cornell, sagte der Presse, sie denke, dass blinde Menschen eines Tages ein Visier tragen können, ähnlich dem, das Geordi La Forge in der Fernsehshow Star Trek trägt. Das Visier wird eine Kamera haben, die Licht aufnimmt, und einen Chip, der dieses Licht in einen Code umwandelt, mit dem das Gehirn das Bild nachbildet.
"Es ist eine aufregende Zeit. Wir können blinde Maus-Retinas sehen, und wir bewegen uns so schnell wie möglich, um das Gleiche bei Menschen zu tun", sagte Nirenberg, Professor am Institut für Physiologie und Biophysik und am Institut für Computational Biomedicine bei Weill Cornell.

Wie die Netzhaut funktioniert

Wissenschaftler hoffen, dass künstliche Netzhäute innerhalb eines Jahrzehnts zur Behandlung von Blindheit eingesetzt werden könnten.Normale Sicht ist, wenn Licht in das Auge eintritt und auf lichtempfindliche Zellen fällt, die auf der Oberfläche der Netzhaut liegen. Die "Schaltkreise" in der Netzhaut wandeln das Licht in eine Reihe von kodierten elektrischen Signalen oder neuralen Impulsen um und leiten sie an Ganglienzellen genannte Ausgangszellen weiter, die die kodierten Impulse über den Sehnerv am Augenhintergrund an das Gehirn übertragen.
Das Gehirn versteht den Strom codierter neuronaler Impulse und übersetzt sie in aussagekräftige Bilder.
Eine häufige Ursache für Blindheit ist, wenn die Netzhaut durch Krankheiten geschädigt wird, die die Photorezeptoren abtöten und / oder die Schaltkreise zerstören, die die codierten neuralen Impulse erzeugen. Aber oft beschädigen diese Krankheiten die Ausgangszellen nicht.

Warum aktuelle Prothetik nicht den vollen Job machen kann

Aktuelle Prothetik arbeitet mit Elektroden, die in das blinde Patientenauge implantiert werden, um die überlebenden Zellen anzutreiben: Sie stimulieren die Ganglienzellen mit elektrischem Strom.
Aber diese Methode erzeugt nur sehr grobe Gesichtsfelder: Die Zellen werden stimuliert, aber sie erhalten nicht die richtigen Signale, eine Art neurales Äquivalent von "weißem Rauschen".
Wissenschaftler arbeiten an verschiedenen Möglichkeiten, um diesen Ansatz zu verbessern. Ein Weg ist zum Beispiel, mehr Stimulatoren im Implantat zu haben, in der Hoffnung, dass mit mehr Stimulation das Bild verbessert wird.
Ein anderer Ansatz, der getestet wird, ist die Verwendung von Gentherapie, um lichtempfindliche Proteine ??in der Netzhaut zu erzeugen, um die Ganglienzellen zu stimulieren.
Aber die Erfindung, die "darauf wartete" zu sein, wie Nirenberg erklärt, stimuliert nicht nur eine große Anzahl von Zellen, sondern regt sie auch mit dem richtigen Code an, den die Netzhaut für die Kommunikation mit dem Gehirn verwendet.

Wie sie die Entdeckung gemacht haben

Nirenberg hatte die Idee, dass jedes Lichtmuster, das auf die Netzhaut fällt, über einen allgemeinen Code oder eine Menge mathematischer Gleichungen in äquivalente Muster neuronaler Impulse umgewandelt werden muss.

Sie sagte, dass Leute versucht haben, den Code für einfache Muster zu finden. Aber sie war überzeugt, dass der Code verallgemeinerbar sein musste für jede Art von Reiz, einfach und komplex, sei es für Gesichter, Landschaften, alles was das Auge betrachte.
Der eigentliche "Aha" -Moment kam, als sie aus einem anderen Grund an dem Code arbeitete, sagte Nirenberg. Sie realisierte, was sie an einer Prothese arbeiten konnte.
Also legten sie und Pandarinath die Gleichungen, an denen sie arbeiteten, auf einen elektronischen Chip und kombinierten ihn mit einem Mini-Projektor.
Der Chip wandelt das Lichtmuster (das Bild), das in das Auge kommt, in codierte elektrische Impulse um, und der Miniprojektor wandelt sie in Lichtimpulse um.
Die Lichtimpulse stimulieren die lichtempfindlichen Proteine, die in die Ganglienzellen eingeführt wurden, und das Ergebnis ist, dass das Gehirn codierte neurale Impulse erhält.
Sie testeten die Methode in Mäusen. Sie machten und verglichen zwei Versionen der Prothese: eine ohne den Code und eine mit dem Code.
Nirenberg sagte, der Effekt sei dramatisch. Als sie den Code eingaben, "sprang" die Systemleistung auf fast normale Werte, das heißt:
"... es gab genug Informationen in der Ausgabe des Systems, um Bilder von Gesichtern und Tieren zu rekonstruieren - im Grunde alles, was wir versuchten", sagte Nirenberg.
Sie führten einige rigorose Tests durch, um festzustellen, dass die Muster, die mit Hilfe der Prothese in der Netzhaut der blinden Mäuse hergestellt wurden, mit denen der Retina übereinstimmten, wenn sie Mäuse sahen.
Die Studie zeigt, dass die entscheidenden Komponenten für die Herstellung einer hochwirksamen Retina-Prothetik, der Netzhaut-Code und eine hochauflösende Methode der Ganglienzell-Stimulation, mehr oder weniger vorhanden sind, sagte Nirenberg.

Nächster Schritt

Das neue Gerät bietet Hoffnung für die 25 Millionen Menschen auf der ganzen Welt, deren Blindheit auf Netzhauterkrankungen zurückzuführen ist.Drogen können einem kleinen Prozentsatz dieser Bevölkerung helfen, aber ihre beste Chance, das Sehvermögen wiederherzustellen, ist eine Prothese.
Die Sicherheit und Wirksamkeit der Prothese muss nun in Versuchen am Menschen getestet werden, insbesondere um zu zeigen, dass der Teil der Gentherapie, der die lichtempfindlichen Proteine ??herstellt, sicher ist.
Nirenberg schlägt jedoch vor, dass sich der Gentherapie-Teil als sicher erweisen wird, da es sich um dieselbe Art von Therapie handelt, die für die Behandlung anderer Netzhauterkrankungen getestet wurde.
Sie sagte, der ganze Prozess sei "aufregend" gewesen und sie könne nicht darauf warten, dass Tests durchgeführt werden, damit die Patienten so schnell wie möglich davon profitieren können.
Zuschüsse von den National Institutes of Health und Cornell University's Institut für Computational Biomedicine half, die Studie zu finanzieren, und beide Autoren haben ein Patent auf das Gerät eingereicht.
Geschrieben von Catharine Paddock