211service.com
Een nieuw implantaat voor blinden dringt rechtstreeks in de hersenen
Neuron actiepotentialen Russ Juskalian
Allí, zegt Bernardeta Gómez in haar moedertaal Spaans, wijzend naar een grote zwarte lijn die over een wit vel karton loopt dat op armlengte voor haar ligt. Daar .
Het is niet bepaald een indrukwekkende prestatie voor een 57-jarige vrouw, behalve dat Gómez blind is. En dat is ze al meer dan tien jaar. Toen ze 42 was, vernietigde toxische optische neuropathie de zenuwbundels die de ogen van Gómez met haar hersenen verbinden, waardoor ze totaal zonder zicht was. Ze kan niet eens licht detecteren.
Maar na 16 jaar duisternis kreeg Gómez een periode van zes maanden waarin ze een schijn van de wereld met een zeer lage resolutie kon zien, weergegeven door gloeiende witgele stippen en vormen. Dit was mogelijk dankzij een aangepaste bril, verduisterd en voorzien van een kleine camera. Het apparaat is aangesloten op een computer die een live videofeed verwerkt en deze omzet in elektronische signalen. Een kabel die aan het plafond hangt, verbindt het systeem met een poort die is ingebed in de achterkant van de schedel van Gómez en die is aangesloten op een implantaat met 100 elektroden in de visuele cortex achter in haar hersenen.
Bernardeta Gómez draagt de bril met de camera's. Helaas heeft ze niet langer het hersenimplantaat, dat nog steeds een tijdelijk apparaat is. Russ Juskalian
Hiermee identificeerde Gómez plafondlampen, letters, op papier gedrukte basisvormen en mensen. Ze speelde zelfs een eenvoudig Pac-Man-achtig computerspel dat rechtstreeks in haar hersenen werd gepompt. Vier dagen per week voor de duur van het experiment werd Gómez door haar ziende echtgenoot naar een laboratorium geleid en aangesloten op het systeem.
Het eerste moment dat Gómez aan het eind van 2018 werd gezien, was het hoogtepunt van tientallen jaren onderzoek door Eduardo Fernandez, directeur neuro-engineering aan de Universiteit van Miguel Hernandez, in Elche, Spanje. Zijn doel: het zicht teruggeven aan zoveel mogelijk van de 36 miljoen blinden wereldwijd die weer willen zien. De benadering van Fernandez is bijzonder opwindend omdat het het oog en de optische zenuwen omzeilt.
Veel eerder onderzoek probeerde het gezichtsvermogen te herstellen door een kunstoog of netvlies te creëren. Het werkte, maar de overgrote meerderheid van blinden, zoals Gómez, heeft schade aan het zenuwstelsel dat het netvlies met de achterkant van de hersenen verbindt. Een kunstoog lost hun blindheid niet op. Dat is de reden waarom het bedrijf Second Sight, dat in 2015 goedkeuring kreeg om in Europa in 2011 – en in de VS in 2013 – een kunstmatig netvlies te verkopen voor een zeldzame ziekte, retinitis pigmentosa genaamd, in 2015 twee decennia werk van het netvlies naar de cortex heeft verplaatst. . (Second Sight zegt dat iets meer dan 350 mensen het Argus II-retinale implantaat gebruiken.)
Tijdens een recent bezoek dat ik bracht aan het met palmen bezaaide Elche, vertelde Fernandez me dat de vooruitgang in implantaattechnologie en een meer verfijnd begrip van het menselijke visuele systeem hem het vertrouwen hebben gegeven om rechtstreeks naar de hersenen te gaan. De informatie in het zenuwstelsel is dezelfde informatie als in een elektrisch apparaat, zegt hij
Het zicht herstellen door signalen rechtstreeks naar de hersenen te sturen is ambitieus. Maar de onderliggende principes worden al tientallen jaren gebruikt in mens-elektronische implantaten in de reguliere geneeskunde. Op dit moment, legt Fernandez uit, hebben we veel elektrische apparaten die in wisselwerking staan met het menselijk lichaam. Een daarvan is de pacemaker. En in het sensorische systeem hebben we het cochleaire implantaat.
Eduardo Fernandez Russ Juskalian
Dit laatste apparaat is de horende versie van de prothese die Fernandez voor Gómez heeft gebouwd: een externe microfoon en verwerkingssysteem dat een digitaal signaal doorgeeft aan een implantaat in het binnenoor. De elektroden van het implantaat sturen stroompulsen naar nabijgelegen zenuwen die de hersenen als geluid interpreteren. Met het cochleaire implantaat, dat in 1961 voor het eerst bij een patiënt werd geïnstalleerd, kunnen meer dan een half miljoen mensen over de hele wereld gesprekken voeren als een normaal onderdeel van het dagelijks leven.
Berna was onze eerste patiënt, maar de komende jaren zullen we implantaten plaatsen bij nog vijf blinden, zegt Fernandez, die Gómez bij haar voornaam noemt. We hadden soortgelijke experimenten met dieren gedaan, maar een kat of een aap kan niet verklaren wat hij ziet.
Berna zou kunnen.
Haar experiment vergde moed. Het vereiste een hersenoperatie aan een verder gezond lichaam - altijd een riskante procedure - om het implantaat te installeren. En dan zes maanden later weer verwijderen, aangezien de prothese niet is goedgekeurd voor langdurig gebruik.
Toevallen en fosfenen
Ik hoor Gómez voordat ik haar zie. Haar stem is de stem van een vrouw die ongeveer tien jaar jonger is dan haar leeftijd. Haar woorden zijn afgemeten, haar cadans is perfect vloeiend en haar toon is warm, zelfverzekerd en stabiel.
Als ik haar eindelijk in het lab zie, merk ik dat Gómez de indeling van de ruimte zo goed kent dat ze nauwelijks hulp nodig heeft bij het navigeren door de kleine gang en de aangrenzende kamers. Als ik naar haar toe loop om haar te begroeten, wijst het gezicht van Gómez aanvankelijk in de verkeerde richting totdat ik gedag zeg. Als ik mijn hand uitsteek om haar de hand te schudden, leidt haar man haar hand in de mijne.
Gómez is hier voor een hersen-MRI om te zien hoe het er een half jaar na het verwijderen van haar implantaat uitziet (ze zien er goed uit). Ze is hier ook om een potentiële tweede patiënt te ontmoeten die in de stad is, en in de kamer tijdens mijn bezoek. Op een bepaald moment tijdens deze ontmoeting, terwijl Fernandez uitlegt hoe de hardware op de schedel is aangesloten, onderbreekt Gómez de discussie, leunt naar voren en legt de hand van de prospect op haar achterhoofd, waar vroeger een metalen stopcontact was. Tegenwoordig is er vrijwel geen bewijs van de haven. De implantaatoperatie was zo saai, zegt ze, dat ze de volgende dag naar het lab kwam om de stekker in het stopcontact te steken en de experimenten te starten. Sindsdien heeft ze geen problemen of pijn gehad.
Gomez had geluk. De lange geschiedenis van experimenten die tot haar succesvolle implantatie hebben geleid, heeft een bewogen verleden. In 1929 ontdekte een Duitse neuroloog genaamd Otfrid Foerster dat hij een witte stip in het zicht van een patiënt kon opwekken als hij tijdens een operatie een elektrode in de visuele cortex van de hersenen stak. Hij noemde het fenomeen een fosfeen. Wetenschappers en sci-fi-auteurs hebben zich sindsdien het potentieel voorgesteld van een camera-naar-computer-naar-hersenen visuele prothese. Sommige onderzoekers bouwden zelfs rudimentaire systemen.
In de vroege jaren 2000 werd het hypothetische werkelijkheid toen een excentrieke biomedische onderzoeker genaamd William Dobelle zo'n prothese installeerde in het hoofd van een experimentele patiënt.
In 2002 herinnerde de schrijver Steven Kotler zich met afschuw hoe hij Dobelle de elektriciteit zag aanzetten en een patiënt op de grond kronkelend in een aanval zag vallen. De oorzaak was te veel stimulatie met te veel stroom - iets, zo blijkt, hersenen houden niet van. De patiënten van Dobelle hadden ook problemen met infecties. Toch bracht Dobelle zijn omvangrijke apparaat op de markt als bijna klaar voor dagelijks gebruik, compleet met een promotievideo van een blinde man die langzaam en onvast op een afgesloten parkeerplaats rijdt. Toen Dobelle in 2004 stierf, stierf ook zijn prothese.
In tegenstelling tot Dobelle, die een remedie voor blinden aankondigde, zegt Fernandez bijna constant dingen als: ik wil geen hoop vestigen en we hopen een systeem te hebben dat mensen kunnen gebruiken, maar op dit moment voeren we alleen vroege experimenten uit. .
Maar Gómez zag het wel degelijk.
Spijkerbed
Als het basisidee achter het zicht van Gómez - sluit een camera aan op een videokabel in de hersenen - eenvoudig is, zijn de details dat niet. Fernandez en zijn team moesten eerst het cameragedeelte uitzoeken. Wat voor soort signaal produceert een menselijk netvlies? Om deze vraag te beantwoorden, neemt Fernandez het menselijk netvlies van mensen die onlangs zijn overleden, haakt het netvlies aan elektroden, stelt ze bloot aan licht en meet wat de elektroden raakt. (Zijn lab heeft een nauwe relatie met het plaatselijke ziekenhuis, dat soms midden in de nacht belt als een orgaandonor sterft. Een menselijk netvlies kan slechts ongeveer zeven uur in leven worden gehouden.) Zijn team gebruikt ook machine learning om de elektrische uitvoer van het netvlies naar eenvoudige visuele invoer, waardoor ze software kunnen schrijven om het proces automatisch na te bootsen.
De volgende stap is het nemen van dit signaal en het afgeven aan de hersenen. In de prothese die Fernandez voor Gómez heeft gebouwd, loopt een bekabelde verbinding naar een algemeen neuro-implantaat dat bekend staat als een Utah-array, dat net kleiner is dan de verhoogde punt aan het positieve uiteinde van een AAA-batterij. Uit het implantaat steken 100 kleine elektrodespikes, elk ongeveer een millimeter hoog - samen zien ze eruit als een miniatuur spijkerbed. Elke elektrode kan een stroom leveren aan één tot vier neuronen. Wanneer het implantaat wordt ingebracht, doorboren de elektroden het oppervlak van de hersenen; wanneer het wordt verwijderd, vormen zich 100 kleine druppeltjes bloed in de gaten.
De geïmplanteerde array heeft 100 elektroden en lijkt op een klein spijkerbed. Fernandez
Fernandez moest één elektrode tegelijk kalibreren en er steeds sterkere stromen op sturen totdat Gómez opmerkte wanneer en waar ze een fosfeen zag. Het inbellen van alle 100 elektroden duurde meer dan een maand.
Het voordeel van onze aanpak is dat de elektroden van de array in de hersenen uitsteken en dicht bij de neuronen zitten, zegt Fernandez. Hierdoor kan het implantaat zicht produceren met een veel lagere elektrische stroom dan nodig was in het Dobelle-systeem, wat het risico op aanvallen sterk vermindert.
Het grote nadeel van de prothese - en de belangrijkste reden waarom Gómez de hare niet langer dan zes maanden kon houden - is dat niemand weet hoe lang de elektroden meegaan zonder het implantaat of de hersenen van de gebruiker aan te tasten. Het immuunsysteem van het lichaam begint de elektroden af te breken en ze te omringen met littekenweefsel, wat uiteindelijk het signaal verzwakt, zegt Fernandez. Er is ook het probleem dat de elektroden buigen als iemand beweegt. Afgaand op onderzoek bij dieren en een vroege blik op de array die Gómez gebruikte, veronderstelt hij dat de huidige opstelling twee tot drie jaar zou kunnen duren, en misschien wel tien jaar voordat het faalt. Fernandez hoopt dat een paar kleine aanpassingen dat tot een paar decennia zullen uitbreiden - een cruciale voorwaarde voor een stuk medische hardware waarvoor invasieve hersenchirurgie vereist is.
Uiteindelijk zal de prothese, net als een cochleair implantaat, zijn signaal en stroom draadloos door de schedel moeten verzenden om de elektroden te bereiken. Maar voorlopig heeft zijn team de prothese tot nu toe bekabeld gelaten voor experimenten, wat de meeste flexibiliteit biedt om de hardware te blijven updaten voordat een ontwerp wordt vastgesteld.
Bij 10 pixels bij 10 pixels, wat ongeveer de maximale potentiële resolutie is die het implantaat van Gómez zou kunnen weergeven, kunnen basisvormen zoals letters, een deurkozijn of een trottoir worden waargenomen. Maar de contouren van een gezicht, laat staan van een persoon, zijn veel gecompliceerder. Daarom breidde Fernandez zijn systeem uit met beeldherkenningssoftware om een persoon in een kamer te identificeren en een patroon van fosfenen naar het brein van Gómez te sturen dat ze leerde herkennen.
Met 25 bij 25 pixels, schrijft Fernandez in een dia die hij graag presenteert, is visie mogelijk. En omdat de Utah-array in zijn huidige vorm zo klein is en zo weinig stroom nodig heeft om te draaien, zegt Fernandez dat er geen technische reden is dat zijn team er geen vier tot zes aan elke kant van de hersenen zou kunnen installeren, met een zicht van 60 x 60 pixels of hoger. Toch weet niemand hoeveel input het menselijk brein van dergelijke apparaten kan krijgen zonder overweldigd te worden en het equivalent van tv-sneeuw weer te geven.
Hoe het eruit ziet
Fernandez en zijn student met een prototype camera aangesloten op de computer. Russ Juskalian
Gómez vertelde me dat ze het implantaat zou hebben laten zitten als ze de keuze had gekregen en dat ze als eerste in de rij zou staan als er een bijgewerkte versie beschikbaar is. Als Fernandez klaar is met het analyseren van haar array, is Gómez van plan om het in te lijsten en aan de muur van haar woonkamer te hangen.
Terug in het laboratorium van Fernandez biedt hij aan om me aan te sluiten op een niet-invasief apparaat dat hij gebruikt om patiënten te screenen.
Zittend in dezelfde leren stoel die Gómez had tijdens het doorbraakexperiment van vorig jaar, wacht ik terwijl een neuroloog een toverstok met twee ringen tegen de zijkant van mijn hoofd houdt. Het apparaat, een vlinderspoel genaamd, is verbonden met een doos die neuronen in de hersenen prikkelt met een krachtige elektromagnetische puls - een fenomeen dat transcraniële magnetische stimulatie wordt genoemd. De eerste explosie voelt alsof iemand mijn hoofdhuid schokt. Mijn vingers krullen onwillekeurig in mijn handpalmen. Kijk, het is gelukt! zegt Fernandez grinnikend. Dat was je motorische cortex. Nu zullen we proberen u wat fosfenen te geven.
De neuroloog verplaatst de toverstaf en stelt de machine in op een snelle reeks pulsen. Deze keer wanneer ze vuurt, voel ik een intense zzp-zzp-zzp , alsof iemand de achterkant van mijn schedel als deurklopper gebruikte. Dan, hoewel mijn ogen wijd open zijn, zie ik iets: een heldere horizontale lijn flitst door het midden van mijn gezichtsveld, samen met twee glinsterende driehoeken gevuld met wat lijkt op tv-sneeuw. Het visioen vervaagt even snel als het kwam en laat een korte nagloeiing achter.
Dit is net wat Berna kon zien, zegt Fernandez. Alleen was haar zicht op de wereld stabiel zolang het signaal naar haar hersenen werd gestuurd. Ze kon ook haar hoofd draaien en met haar bril op de kamer rondkijken. Wat ik had gezien waren slechts interne fantomen van een elektrisch opgewonden brein. Gómez kon voor het eerst in 16 jaar de wereld waar ze naar keek echt bereiken en aanraken.