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Ein neues Implantat für Blinde verbindet sich direkt mit dem Gehirn

Den Forschern gelang es, auf die Verwendung von Augen zu verzichten und ein Implantat im Gehirn zu installieren, das eine rudimentäre Sicht ermöglicht




"Alli", sagt Bernardeta Gomez in seiner Muttersprache Spanisch und zeigt auf eine dicke schwarze Linie, die über ein weißes Blatt Pappe verläuft, das sich auf Armeslänge von ihr befindet. "Dort".

Für eine 57-jährige Frau keine sehr beeindruckende Leistung - nur Gomez ist blind. Und er hat seit mehr als zehn Jahren nicht mehr gesehen. Als sie 42 Jahre alt war, zerstörte eine toxische optische Neuropathie die Nerven, die Gomez 'Augen mit dem Gehirn verbanden, und sie verlor völlig ihr Augenlicht. Sie kann nicht einmal das Licht erkennen.

Aber nach 16 Jahren Dunkelheit erhielt Gomez ein sechsmonatiges Fenster, in dem sie einen Anschein der Welt um sich herum in sehr geringer Auflösung sehen konnte, dargestellt durch gelb-weiße Punkte und Zahlen. Möglich wurde dies durch die modifizierte Brille mit einer winzigen Kamera. Das Gerät ist an einen Computer angeschlossen, der das Bild in Echtzeit verarbeitet und in elektrische Signale umwandelt. Ein Kabel, das von der Decke hängt, verbindet das System mit einem Anschluss, der in den Hinterkopf von Gomez eingebaut ist und mit einem Implantat mit 100 Kontakten verbunden ist, das im visuellen Kortex des hinteren Teils ihres Gehirns platziert ist.


Bernarda Gomez in Brille mit einer Kamera. Leider wurde das Implantat aus ihrem Gehirn bereits herausgenommen - während dies ein temporäres Gerät ist.

Mit Hilfe des Geräts unterschied Gomez Deckenleuchten, die einfachsten Formen, die auf Papier und Menschen gedruckt wurden. Sie spielte sogar ein einfaches Spiel wie Pac-Man auf einem Computer, den er direkt in ihr Gehirn projizierte. Während des Experiments brachte Gomez ihren sehenden Ehemann vier Tage die Woche ins Labor, wo sie mit dem System verbunden war.

Der erste Moment, in dem Gomez Ende 2018 eine Vision erlangte, war der Höhepunkt jahrzehntelanger Forschung, die von Eduardo Fernandez, Direktor der Abteilung für Neurotechnik der Universität, durchgeführt wurde. Miguel Hernandez in Elche, Spanien. Sein Ziel ist es, möglichst vielen der 36 Millionen Blinden auf der ganzen Welt, die es gerne wieder sehen würden, das Sehvermögen wiederherzustellen. Fernandez 'Ansatz ist besonders interessant, weil er das Auge und die Sehnerven nicht benutzt.

Frühere Forschungen wurden durchgeführt, um das Sehvermögen durch Schaffung eines künstlichen Auges oder einer Netzhaut wiederherzustellen. Der Ansatz hat funktioniert, aber bei den meisten Blinden wie Gomez ist das Nervensystem, das die Netzhaut mit dem hinteren Teil des Gehirns verbindet, beschädigt. Ein künstliches Auge wird das Problem ihrer Blindheit nicht lösen. Daher hat Second Sight im Jahr 2015, im Jahr 2011 in Europa und im Jahr 2013 in den USA, die die Erlaubnis zum Verkauf der künstlichen Netzhaut für eine seltene Krankheit, Retinitis pigmentosa, erhalten hatten, die Arbeit von zwei Jahrzehnten von der Netzhaut auf die Großhirnrinde umgestellt. Laut Second Sight wird die künstliche Netzhaut Argus II heute von etwas mehr als 350 Menschen verwendet.

Während meines letzten Besuchs in der palmengepunkteten Stadt Elcho erzählte mir Fernandez, dass Durchbrüche in der Implantat-Technologie und ein verbessertes Verständnis des menschlichen visuellen Systems es ihm ermöglichen, sicher zur direkten Arbeit mit dem Gehirn zu wechseln. "Informationen im Nervensystem unterscheiden sich nicht von Informationen in einem elektronischen Gerät", sagt er.

Die Wiederherstellung des Sehvermögens durch direktes Senden von Signalen an das Gehirn ist eine ehrgeizige Aufgabe. Seine Grundprinzipien werden jedoch seit Jahrzehnten in elektronischen medizinischen Implantaten beim Menschen angewendet. „Heute“, erklärt Fernandez, „gibt es viele elektronische Geräte, die mit dem menschlichen Körper interagieren. Zum Beispiel Herzschrittmacher. Wenn wir über die Sinne sprechen, haben wir Cochlea-Implantate . "


Eduardo Fernandez

Das zuletzt erwähnte Gerät ist die Hörversion der von Fernandez für Gomez entwickelten Prothese: ein externes Mikrofon und ein Verarbeitungssystem, das ein digitales Signal an das im Innenohr befindliche Implantat überträgt. Die Elektroden des Implantats senden Stromimpulse an nahegelegene Nerven, die das Gehirn als Schall interpretiert. Das 1961 erstmals dem Patienten eingeführte Cochlea-Implantat ermöglicht es mehr als einer halben Million Menschen auf der ganzen Welt, im Alltagsmodus normal zu kommunizieren.

"Berna war unsere erste Patientin, aber in den letzten Jahren haben wir fünf weitere Blinde implantiert", sagt Fernandez, ein Gomez mit Namen. "Wir haben ähnliche Tierversuche durchgeführt, aber eine Katze oder ein Affe können nicht erklären, was sie sehen."

Und Bern ist fähig.

Um an diesem Experiment teilnehmen zu können, brauchte man Mut. Um das Implantat zu installieren, war eine chirurgische Operation am Körper erforderlich, die im Allgemeinen gesund ist - und dies ist immer ein Risiko. Und dann musste es nach sechs Monaten entfernt werden, da die Prothese nicht für Langzeitkleidung zugelassen war.

Anfälle und Phosphene


Bevor ich Gomez sehe, höre ich sie schon. Sie hat eine Frauenstimme, zehn Jahre jünger als sie wirklich ist. Die Wörter in der Rede werden gewogen, die Stimme ist weich, die Intonationen sind warm, selbstbewusst und gleichmäßig.

Als ich sie im Labor sehe, bemerke ich, dass Gomez sich so gut mit dem Grundriss vertraut gemacht hat, dass sie kaum Hilfe braucht, um sich auf dem Korridor und in den Nachbarräumen zu bewegen. Wenn ich zu ihr komme, um Hallo zu sagen, ist ihr Gesicht zuerst in die falsche Richtung gerichtet, bis ich ihr „Hallo“ sage. Als ich ihr zur Begrüßung helfe, schickt ihr Mann ihren Pinsel zu mir.

Heute kam Gomez sechs Monate nach der Entfernung des Implantats zur MRT des Gehirns, um seinen Zustand zu beurteilen (am Ende ist alles in Ordnung). Sie trifft sich auch mit einem potenziellen zweiten Patienten, der dort angekommen ist und der auch während meines Besuchs anwesend ist. Irgendwann, als Fernandez erklärt, wie sich das Gerät mit dem Schädel verbindet, unterbricht Gomez die Diskussion, beugt sich vor und drückt die Hand des potenziellen Patienten auf seinen Nacken, wo sich ein Metallverbinder befand. Heute gibt es praktisch keine Hafenbeweise. Ihr zufolge war die Operation so problemlos, dass sie am nächsten Tag im Labor ankam, um sich zu verbinden und das Experiment zu starten. Seitdem hat sie keine Probleme oder Schmerzen mehr gehabt.

Gomez hat Glück. Die lange Geschichte der Experimente, die zu einer erfolgreichen Implantation führten, hat eine gemischte Vergangenheit. Der deutsche Neurologe Otfried Förster entdeckte 1929, dass er einen weißen Punkt im Sichtfeld des Patienten verursachen kann, indem er während der Operation eine Elektrode in den visuellen Kortex des Gehirns steckt. Er nannte dieses Phänomen Phosphen . Wissenschaftler und Autoren von NF-Romanen haben sich seitdem das Potenzial von Prothesen vorgestellt, die Kamera und Computer mit dem Gehirn verbinden. Einige Forscher haben sogar rudimentäre Systeme dieser Art geschaffen.

In den frühen 2000er Jahren wurde die Hypothese Wirklichkeit, als ein exzentrischer biomedizinischer Forscher, William Dobel, eine ähnliche Prothese in den Kopf eines experimentellen Patienten einbaute.

Im Jahr 2002 sah der Schriftsteller Stephen Kotler entsetzt zu, wie Dobel seine Spannung erhöhte und der Patient in einem Anfall zu Boden fiel. Es stellte sich heraus, dass das Gehirn keine zu starke Stimulation mit zu viel Strom mag. Dobel-Patienten hatten auch Probleme mit Infektionen. Gleichzeitig bewarb Dobel sein sperriges Gerät fast für den täglichen Gebrauch und ergänzte die Werbung mit einem Video, in dem ein Blinder langsam und unsicher ein Auto auf einem geschlossenen Parkplatz fährt. Nach dem Tod von Dobel im Jahr 2004 ging auch seine Prothese mit ihm.

Im Gegensatz zu Dobel, der behauptete, Blindheit zu behandeln, sagt Fernandez ständig Dinge wie "Ich möchte Ihnen nicht umsonst Hoffnung geben" und "Wir hoffen, dass wir ein System bekommen, das für den Einsatz geeignet ist, aber wir führen derzeit frühe Experimente durch."

Aber Gomez konnte tatsächlich sehen.

Nagelbett


Wenn die Grundidee, Gomez 'Vision zurückzugeben, recht einfach ist - wir verbinden die Kamera mit dem Videokabel, das zum Gehirn führt -, sind die Details überhaupt nicht einfach. Fernandez und das Team mussten sich zuerst mit dem Anschließen der Kamera befassen. Welches Signal sendet die menschliche Netzhaut aus? Um diese Frage zu beantworten, nimmt Fernandez die Netzhaut von kürzlich verstorbenen Menschen, verbindet sie mit den Elektroden, leuchtet darauf und misst den Strom. Sein Labor arbeitet eng mit örtlichen Krankenhäusern zusammen, von denen aus sie manchmal nachts anrufen können, um über den Tod eines Organspenders zu berichten. Die menschliche Netzhaut kann nicht länger als sieben Stunden am Leben gehalten werden. Sein Team verwendet auch maschinelles Lernen, um die elektrischen Signale der Netzhaut mit einfachen visuellen Bildern abzugleichen, was ihnen hilft, Software zu schreiben, die diesen Prozess automatisch simuliert.

Der nächste Schritt besteht darin, dieses Signal aufzunehmen und an das Gehirn zu senden. Bei der von Fernandez für Gomez hergestellten Prothese ist das Kabel mit einem Implantat des bekannten Schemas verbunden , dem „ Utah Array “, das ungefähr die Größe eines kleinen Flecks am positiven Ende einer AAA-Batterie hat. Daraus ragen 100 scharfe Elektroden pro Millimeter heraus - alles zusammen sieht aus wie ein Nagelbett. Jede Elektrode liefert Strom an mehrere Neuronen, von eins bis vier. Bei der Installation eines Implantats stechen Elektroden in die Oberfläche des Gehirns. Beim Entfernen bilden sich 100 winzige Blutstropfen in den Löchern.



Fernandez musste die Elektroden einzeln kalibrieren und Signale mit allmählich ansteigender Spannung an sie senden, bis Gomez sagte, wo und wann er das Phosphen sah. Die Kalibrierung der gesamten hundert Elektroden dauerte mehr als einen Monat.

„Der Vorteil unseres Ansatzes besteht darin, dass die Elektroden des Arrays in das Gehirn gelangen und sich in der Nähe der Neuronen befinden“, sagt Fernandez. Dies ermöglicht es dem Implantat, im Vergleich zum Dobel-System mit viel geringeren Strömen zu sehen, was das Risiko von Anfällen drastisch verringert.

Der große Nachteil der Prothese - und der Hauptgrund, warum Gomez länger als sechs Monate nicht mit der Prothese gehen durfte - ist, dass niemand weiß, wie lange die Elektroden existieren können, bevor sich das Implantat oder das Gehirn des Benutzers zu verschlechtern beginnt. "Das körpereigene Immunsystem beginnt, die Elektroden abzubauen und sie mit Narbengewebe zu umgeben, was das Signal schwächt", sagte Fernandez. Es gibt auch das Problem des Biegens von Elektroden während menschlicher Bewegungen. Nach Tierversuchen und den frühen Ergebnissen der Verwendung der Gomez-Prothese zu urteilen, vermutet er, dass das derzeitige Schema zwei bis drei Jahre, möglicherweise bis zu zehn Jahre, dauern kann, bevor es fehlschlägt. Fernandez hofft, dass kleine Änderungen dazu beitragen werden, diesen Zeitraum um mehrere Jahrzehnte zu verlängern - was für medizinische Geräte, die chirurgische Eingriffe erfordern, von entscheidender Bedeutung ist.

Letztendlich muss die Prothese wie ein Cochlea-Implantat Signale und Energie drahtlos durch den Schädel übertragen. Für Experimente wird die Prothese jedoch vorerst über ein Kabel angeschlossen - dies bietet mehr Möglichkeiten zur Aktualisierung der Ausrüstung, bevor bei einem bestimmten Betriebsschema angehalten wird.

Mit einer Auflösung von 10x10 Pixel, dem maximalen Potenzial für das Gomez-Implantat, kann man zwischen Grundformen wie Buchstaben, einer Tür oder einem Bürgersteig unterscheiden. Mit den Konturen des Gesichts und insbesondere den Details des Gesichts einer Person ist es komplizierter. Daher ergänzte Fernandez sein System mit einem Mustererkennungsprogramm, das die Persönlichkeit einer Person bestimmt und ein Muster von Phosphenen an das Gomez-Gehirn sendet, das sie zu erkennen lernte.

Fernandez schreibt auf einer Folie einer Technologiepräsentation, dass „Vision mit einer Auflösung von 25 x 25 Pixel möglich ist“. Und da in der aktuellen Version das Utah-Array so klein ist und so wenig Energie benötigt, gibt es laut Fernandez keine technischen Einschränkungen, die sein Team daran hindern würden, vier oder sechs Implantate von verschiedenen Seiten des Gehirns zu installieren, die eine Sicht mit einer Auflösung von 60 x 60 Pixel oder mehr ermöglichen würden. Und doch weiß niemand, wie viele Informationen, die auf diese Weise von solchen Geräten kommen, vom Gehirn ohne Überlastung aufgenommen werden können.

Wie sieht es aus



Fernandez und sein Doktorand mit einer an einen Computer angeschlossenen Prototypkamera

sagten mir, dass Gomez, wenn sie die Wahl hätte, das Implantat verlassen und als erste für die aktualisierte Version anstehen würde. Wenn Fernandez mit der Analyse ihres Arrays fertig ist, plant Gomez, es in einen Rahmen zu legen und im Wohnzimmer an die Wand zu hängen.

Im Labor von Fernandez bietet er mir an, mich mit einem nicht-invasiven Gerät zu verbinden, mit dem er Patienten untersucht.

Ich sitze auf demselben Ledersessel wie Gomez im letzten Jahr während eines Durchbruchsexperiments und spüre, wie ein Neurowissenschaftler einen Zauberstab mit zwei Ringen auf einer Seite an meinen Kopf drückt. Dieses Gerät, eine „Schmetterlingsspule“, ist mit einer Box verbunden, die Neuronen im Gehirn mit starken elektromagnetischen Impulsen anregt. Dieses Phänomen nennt mantranskranielle Magnetstimulation . Der erste Impuls ist wie ein elektrischer Schlag für eine Kopfhaut. Die Finger graben sich unwillkürlich in die Handfläche. "Schau, es funktioniert!" - kichert Gomez. „Das ist dein motorischer Kortex. Versuchen wir jetzt, Sie Phosphene zu nennen. "

Der Neurobiologe ändert die Position des Stabes und stellt die Maschine so ein, dass sich die Impulse schnell wiederholen. Dieses Mal, nachdem ich angefangen habe, fühle ich ein Kribbeln in meinem Hinterkopf, als würde jemand meinen Schädel als Türklopfer benutzen. Dann sehe ich, obwohl meine Augen offen sind, etwas Seltsames: eine helle horizontale Linie, die in der Mitte meines Sichtfelds flackert, sowie zwei leuchtende Dreiecke, die ohne Signal mit einem Bild auf einem Fernseher gefüllt sind. Das Bild verschwindet so schnell wie es erscheint und hinterlässt ein leichtes Nachleuchten.

"Ungefähr das gleiche, was Bern sehen kann", sagt Fernandez. Nur ihre „Sicht“ auf die Welt bleibt stabiler, solange ein Signal ins Gehirn gelangt. Sie konnte auch den Kopf drehen und sich mit einer Brille im Raum umsehen. Ich sah nur die inneren Phantome des Gehirns, die durch Elektrizität angeregt wurden. Gomez konnte die Welt, die sie zum ersten Mal seit 16 Jahren betrachtete, erreichen und berühren.

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