Je leest:

Zien zonder zicht

Zien zonder zicht

Virtuele protheses gaan blinden hun zicht teruggeven

Auteur: | 29 mei 2018

Bij blinde mensen komen beelden niet aan in de hersenen, omdat de oogzenuw of het netvlies stuk is. Neurowetenschappers van het Nederlands Herseninstituut ontwikkelen een prothese waarmee blinden hun omgeving zien via hersenstimulatie. Bij de eerste aap werkt het.

In de visuele schors (paars) wordt informatie verwerkt die via je ogen binnenkomt.

Hoe kan je zonder tussenkomst van de ogen toch zien? In het lab van Pieter Roelfsema, directeur van het Nederlands Herseninstituut in Amsterdam, ontwikkelen onderzoekers een visuele prothese om blinde mensen hun zicht terug te geven. Eerst is het de beurt aan een rhesusaap om het implantaat uit te proberen.

Het dier, dat overigens gewoon kan zien, is allereerst getraind om een oogbeweging te maken naar een lichtpunt dat op een computerscherm verschijnt. Daarna volgt de echte test: het lichtpunt verschijnt niet meer op het scherm, maar op de visuele schors van het brein, via hersenstimulatie. Als de prothese werkt, dan zal de aap dezelfde oogbeweging maken naar de plek waar hij een lichtpunt zag. Hij scoort dikke voldoendes.

Het systeem bestaat uit een bril voorzien van een camera, een slim computerprogramma dat de beelden omzet in elektrische activiteit, en geïmplanteerde elektrodes die visuele schors prikkelen, het hersengebied dat normaal gesproken informatie uit de ogen verwerkt. Roelfsema, van huis uit cognitief neurowetenschapper, leidt de onderzoeksgroep. “Na dit experiment testen we een tweede aap om de resultaten te repliceren. Daarna willen we snel naar de mens.”

Hoe zien we?

Zien doe je met je hersenen. Licht uit de omgeving komt via het oog binnen en valt op het netvlies. Miljoenen lichtgevoelige cellen in het netvlies registreren het licht en sturen de informatie via de oogzenuwen door naar de primaire visuele schors, die aan de achterkant van ons hoofd ligt, tussen de twee hersenhelften in. Pas daar worden de signalen vertaald in beelden. Op de visuele schors ligt als het ware een kaart van de wereld om ons heen. Elke cel heeft zijn eigen plekje in de buitenwereld waar het op reageert, het zogenaamde receptieve veld. Twee cellen in de visuele schors die dicht bij elkaar liggen, representeren ook twee plekken die dicht bij elkaar liggen in de buitenwereld. Samen dekken de cellen het hele gezichtsveld af.

Kapot netvlies

In Nederland zijn tussen de 40.000 en 70.000 mensen blind, afhankelijk van wanneer je iemand blind noemt. De oorzaken verschillen. Blindheid kan komen doordat het netvlies kapot is, bijvoorbeeld door de erfelijke oogziekte retinitis pigmentosa. Veel patiënten verliezen tussen het tiende en twintigste levensjaar hun zicht.

De buitenwereld wordt omgekeerd afgebeeld op de hersenschors (links en rechts zijn verwisseld) omdat de oogzenuwen elkaar kruisen. Wat je met je linkeroog ziet komt terecht in je rechter visuele schors en andersom.

Het netvlies was de eerste plek waar wetenschappers aan werkten; netvliesprotheses zijn al commercieel beschikbaar. Het werkt als volgt. De patiënt krijgt middels een operatie een chip met elektrodes op het netvlies. Hij draagt een bril met camera. De camerabeelden reizen draadloos naar een ontvanger op de zijkant van de oogbol, die het beeld omzet naar een patroon van elektrische activiteit waarmee de cellen in het netvlies gestimuleerd worden.

Tot nu toe kregen drie patiënten in Nederland een netvliesprothese. Deze protheses zijn heel beperkt, volgens Roelfsema. “Patiënten krijgen een eenvoudige vorm van zien terug.” Het systeem heeft zestig elektrodes en genereert daarom zestig pixels, oftewel een plaatje van zes bij tien pixels. Terwijl ons oog minstens een miljoen lichtgevoelige cellen heeft." Met een netvliesprothese kan je bijvoorbeeld de bovenkant van de bomen onderscheiden, maar letters zien is eerder uitzondering dan regel.

Prothese in de hersenschors

De Amsterdammers richten zich op een andere groep blinde mensen, waarvan de oogzenuw langzaam afsterft. Bij hen bevindt de schade zich na het netvlies. Om deze groep te helpen moet je dus verder het brein in. De onderzoekers ontwikkelen een systeem met duizend elektroden die niet het netvlies, maar de visuele hersenschors van zwakke stroompjes voorzien. Het idee is verder hetzelfde: een computer, het liefst op zakformaat, analyseert de beelden uit de camera en kijkt waar er gestimuleerd moet worden om zoveel mogelijk informatie uit de buitenwereld over te dragen naar de patiënt.

De visuele prothese bestaat uit een bril voorzien van een camera, een slim computerprogramma dat de beelden omzet in elektrische activiteit, en geïmplanteerde elektrodes die visuele schors prikkelen, het hersengebied dat normaal gesproken informatie uit de ogen verwerkt.
Xing Chen voor NEMO Kennislink

Het stimuleren van de hersenen is een precisiewerkje. Stimuleer je één elektrode, dan ziet een aap of mens een lichtpunt op dezelfde plek in de buitenwereld als waar je op de visuele schors aan het activeren bent. Het beeld bestaat dan uit één pixel. Door groepjes elektroden tegelijkertijd te stimuleren, maak je patronen, is het idee. Met die patronen zie je contouren en contrasten.

Blind geboren

Stel de camera neemt de letter A waar. Het computerprogramma ontvangt het beeld en bewerkt het tot een stimulatiepatroon. De elektrische activiteit stimuleert via de elektrodes een deelverzameling van de cellen in de visuele schors. Alleen de cellen waarvan het receptieve veld overeenkomt met de plek in de buitenwereld waar de A zich bevindt, gaan ‘aan’. Resultaat? De patiënt ziet de letter A opgebouwd uit kleine lichtpunten.

Een blind iemand moet overigens wel ooit gezien hebben, anders werkt de prothese niet. Tijdens de visuele ontwikkeling leg je banen aan in het brein voor de interpretatie van pixels. Wie blind is geboren heeft die banen onjuist aangelegd. De cellen in de visuele schors vormen dan geen kaart van de buitenwereld, waardoor je aan die pixels niks hebt.

Uitgelicht door de redactie

Scheikunde
Verborgen schatten in ons afvalwater

Geowetenschappen
Vulkanen maken met avocado’s en cola

Klimaatwetenschappen
Vliegen we in de toekomst zonder vliegschaamte?

Complicaties

Het idee om blinden via hersenstimulatie hun zicht terug te geven is niet nieuw. Vanaf de jaren zeventig liep de Amerikaanse arts William Dobelle de medische kantjes ervan af om zijn soortgelijke implantaat zo snel mogelijk in mensen te proberen. Eind 2000 startte hij een klinische trial met zestien patiënten. Hij kreeg echter geen toestemming van de Food and Drug Administration (FDA) en vertrok naar Lissabon. Zijn patiënten, die zelf moesten betalen voor de reis, nam hij mee. De Canadese Jens Naumann was één van hen. Hij werd blind aan één oog doordat er tijdens zijn werk aan de spoorwegen een metaalspinter in zijn oog terecht kwam. Drie jaar later vloog er een splinter van zijn sneeuwscooter in het andere oog.

Eenmaal geopereerd, had Naumann een paar maanden baat van zijn prothese; hij zag zijn blindenstok tegen de muur staan. Toen kwamen de complicaties. Roelfsema: “Hij kreeg epilepsie, een infectie en verloor uiteindelijk opnieuw al zijn zicht. We hebben nog regelmatig contact met hem.” Door de negatieve publiciteit liep de ontwikkeling van een visuele prothese een paar jaar achterstand op. “Nu de technologie zoveel beter is geworden, staat het project weer op de rails.”

Gezichtsuitdrukking

De onderzoekers werken met 16 chips van 64 elektrodes. Bij voorkeur worden dat er in de toekomst tien- of zelfs honderdduizend, om beeld van hogere resolutie te krijgen. Roelfsema: “Verder willen we dat wat je ziet, ook het meest relevante is. Als je met mij praat wil je de emotie en identiteit van mijn gezicht zien, niet de kast op de achtergrond. En als je straks naar de trein loopt, wil je de stoeprand zien. Van alles wat je waarneemt is maar een klein percentage relevant. De kunst is om alleen de relevenate zaken over te dragen.” De bedoeling is dat de software door middel van ‘deep learning’ op den duur zelfstandig leert om beelden om te vormen afhankelijk van de context en situatie.

Het Herseninstituut werkt binnen het zogeheten NESTOR-consortium samen met de Radboud Universiteit, de Universiteit Maastricht en de Technische Universiteit Eindhoven om de technologie aan te scherpen. Er is ook contact met het bedrijf VicarVision dat software ontwikkelt om gezichtsuitdrukkingen te herkennen en extra zichtbaar te maken. Hoe zit het eigenlijk met kleur? “Daar hebben we weinig controle over”, aldus Roelfsema. “Hoe harder we stimuleren in de visuele schors, hoe witter het lichtpunt schijnt te worden.”

Het maken van prothese begint met de vraag hoe de hersenschors ons laat zien. Hoe meer kennis over visuele perceptie, hoe beter afgesteld straks de prothese.
Maayke Klaver voor NEMO Kennislink

Verborgen in een groeve

De stap naar de mens is in zicht, maar nog niet makkelijk. Mensen zijn moeilijker te behandelen dan apen, door variaties in de grootte en ligging van de visuele schors. Bij de een ligt het stukje schors – met gemiddeld de grootte van een post-it – grotendeels aan het oppervlak. Bij anderen ligt het naar binnen gevouwen in een hersengroeve. Roelfsema: “Als de visuele schors in elkaar gefrommeld ligt, is het moeilijker om al het weefsel te stimuleren. Je krijgt er met geen mogelijkheid zestien chips in.”

Gewone elektrodes komen ook niet diep genoeg. “Als we een prothese willen maken dat het grootste gedeelte van het gezichtsveld afdekt, moeten we eerst de elektrodes verbeteren.” Het testen van langere elektrodes zal zo’n drie jaar in beslag nemen, en testen kan niet rechtstreeks in een patiënt. “Mijn hoop is dat we over vijf jaar de eerste blinde mensen behandelen.”

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 29 mei 2018

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.