211service.com
Hoe het is om weer te zien met een kunstmatig netvlies
Elias Konstantopoulos krijgt ongeveer vier uur lang elke dag een glimp van de wereld, of hoe lang hij ook weggaat Argus II netvliesprothese ingeschakeld. De 74-jarige inwoner van Maryland verloor meer dan 30 jaar geleden zijn gezichtsvermogen door een progressieve netvliesziekte, maar kan sommige dingen waarnemen wanneer hij het bionische zichtsysteem inschakelt.
Bionische visie: Dit lichtgevoelige implantaat, ontwikkeld door het Duitse Retina-implantaat, bevat 1.500 fotodiodes.
Ik kan zien of je voor me staat, en als je probeert weg te gaan, zegt hij. Of, als ik naar een grote boom kijk met het systeem aan, kan ik misschien wat duisternis zien en als het buiten helder is en ik mijn hoofd naar links of rechts beweeg, kan ik verschillende schaduwen zien die me vertellen dat er iets is. Er is geen manier om te zeggen wat het is, zegt Konstantopoulos.
Een op een bril gemonteerde camera legt beeldgegevens vast voor Konstantopoulos; die gegevens worden vervolgens verwerkt door een minicomputer die aan een riem wordt gedragen en naar een neuronstimulerende reeks van 60 elektroden gestuurd die in 2009 op een van zijn netvliezen werd geïmplanteerd.
Bijna 70 mensen over de hele wereld hebben de drie uur durende operatie ondergaan voor het netvliesimplantaat, dat is ontwikkeld door het Californische Tweede blik en goedgekeurd voor gebruik in Europa in 2011 en in de VS eerder dit jaar (zie Bionic Eye Implant Approved for U.S. Patiënten). Het is het eerste zichtherstellende implantaat dat aan patiënten wordt verkocht.
Momenteel is het systeem alleen goedgekeurd voor patiënten met retinitis pigmentosa, een degeneratieve oogaandoening die overal toeslaat één op de 5.000 mensen wereldwijd, maar het is mogelijk dat de Argus II en andere kunstmatige netvliezen in ontwikkeling zouden kunnen werken voor mensen met leeftijdsgebonden maculaire degeneratie, die één op de 2.000 mensen in ontwikkelde landen. In deze omstandigheden gaan de fotoreceptorcellen van het oog (gewoonlijk staafjes en kegeltjes genoemd) verloren, maar de rest van de neuronale route die visuele informatie naar de hersenen communiceert, is vaak nog steeds levensvatbaar. Kunstmatige netvliezen zijn afhankelijk van dit resterende circuit en kunnen dus niet voor alle vormen van blindheid werken.
Veel groepen over de hele wereld werken aan bionische zichtsystemen om verloren gegane fotoreceptoren te vervangen. De meeste gebruiken een camera die communiceert met een geïmplanteerde chip, maar varieert in het aantal elektroden in de chip en hoe diep de chip in het netvlies is geplaatst. Weer anderen schuwen de camera voor lichtgevoelige diodes in de chip.
Duits bedrijf Retina-implantaat , bijvoorbeeld, heeft onlangs menselijke tests voltooid met zijn 1.500-pixelimplantaat dat niet afhankelijk is van een camera, maar in plaats daarvan direct licht oogst en die gegevens doorgeeft aan de resterende neuronen (zie Microchip herstelt zicht). Een fotodiode-array vervangt de fotoreceptoren.
Commandant uitzicht: California's Second Sight ontwikkelde het Argus II-systeem, dat beeldgegevens die zijn vastgelegd door een op een bril gemonteerde camera naar een netvliesimplantaat stuurt.
Sommige mensen met kunstmatige netvliezen kunnen grote letters lezen, langzaam rijdende auto's zien of servies herkennen. Andere patiënten ervaren geen voordeel. De variatie kan in sommige gevallen worden toegeschreven aan de exacte plaatsing van de neuronenstimulerende array in het flinterdunne netvlies, evenals de toestand van de resterende neuronen en paden in het oog van elk individu. Hoe goed mensen het apparaat kunnen leren gebruiken en hun hersenen kunnen omscholen, is ook belangrijk.
Patiënten zullen hun omgeving scannen en hun geheugen gebruiken om te reconstrueren wat ze zien, zegt Raymond Iezzi , een clinicus-wetenschapper die retinale operaties uitvoert in de Mayo Clinic in Rochester, Minnesota. Hij vergelijkt de scanstrategie met het slepen van een penseel over een schilderij. Patiënten moeten de lege plekken invullen om visuele input te koppelen aan een lexicon van zelfstandige naamwoorden, en dit vereist een aanzienlijke hoeveelheid cognitieve vaardigheden, zegt Iezzi.
Op zijn best is het huidige gezichtsvermogen erg korrelig. Wat je ziet zijn uitbarstingen van licht die fosfenen worden genoemd. Het is niet echt een naturalistische visie, zegt Iezzi. Second Sight zegt dat het niveau van gezichtsscherpte met zijn Argus II 20/1.260 is en Retina Implant zegt dat de beste gezichtsscherpte die met zijn apparaat wordt verkregen 20/1.000 is. Ter vergelijking: normaal zicht is 20/20 en de drempel van wettelijke blindheid in de VS is 20/200 (wat aangeeft dat een persoon een object van 20 voet kan zien dat een normaalziende persoon kan zien vanaf 200 voet).
Het herstelt niet het gezichtsvermogen zoals jij en ik denk, het herstelt de mobiliteit, zegt Stephen Rose , hoofdonderzoeker van de Stichting Fighting Blindness. Ze bieden contrast, zodat iemand een verschil in licht en donker kan zien tot het punt waarop ze kunnen zien hoe ze door een deuropening moeten lopen, zegt hij. Dit is heel erg het begin.
Retina-prothesen bevinden zich in het stadium dat cochleaire implantaten 30 jaar geleden waren, zegt Anthony Burkitt , regisseur van Bionic Vision Australië , een consortium van onderzoekers die een netvliesimplantaatsysteem ontwikkelen. Die technologie ging van een hulpmiddel voor liplezen tot het punt waarop kinderen met een cochleair implantaat nu gewoon naar school kunnen en zelfs mobiele telefoons kunnen gebruiken, zegt Burkitt. Met netvliesimplantaten weten we nu dat het klinische voordelen heeft voor patiënten, en ik denk dat we deze technologie het komende decennium zeer snel zullen zien ontwikkelen.
Experts zijn het erover eens dat een manier om het zicht van deze systemen te verbeteren, is door meer stimulerende elektroden toe te voegen. Second Sight is bijvoorbeeld van plan om in een toekomstig model van 60 naar 240 elektroden te gaan.
Maar er zullen waarschijnlijk duizenden pixels nodig zijn voor gezichtsherkenning en andere gedetailleerde visuele taken, en veel kunstmatige netvliestechnologieën zullen moeite hebben om zulke grote aantallen pixels te bereiken omdat ze afhankelijk zijn van draden, zegt Daniel Palanker , een biofysicus aan de Stanford University. Draden worden gebruikt om een voeding aan te sluiten op elektroden, wat een chirurgische ingreep vereist om de verbinding door de oogbol te leggen. Om deze beperking te vermijden, ontwikkelen Palanker en collega's een draadloos systeem dat beeldgegevens die door een videocamera zijn vastgelegd, doorstuurt naar een fotovoltaïsche chip in het oog. In plaats van zichtbaar licht naar de chip te sturen, gebruikt zijn systeem nabij-infrarood licht dat wordt gestraald naar flexibele arrays van kleine pixels in het netvlies. Het team heeft het systeem getest bij blinde ratten en werkt nu samen met een bedrijf om het apparaat bij patiënten te testen.
Maar zelfs duizenden pixels zijn nog ver verwijderd van een miljoen, wat ongeveer is wat we in het natuurlijke oog hebben, zegt Shawn Kelly , een elektrotechnisch ingenieur aan de Carnegie Mellon University in Pittsburgh. En zelfs dan is er veel verwerking dat het netvlies doet dat we gaan overslaan met een kunstmatig netvlies.
Wanneer fotoreceptoren licht detecteren, zetten ze die informatie om in chemische signalen die andere neurontypen stimuleren die beweging, kleur en andere details van de signalen verwerken en de informatie vervolgens doorgeven aan de oogzenuw, die verbinding maakt met de hersenen. Afhankelijk van waar de stimulerende arrays worden geplaatst, zullen kunstmatige netvliezen een of meer lagen informatieverwerking weglaten.
De manier waarop we communiceren met het zenuwstelsel is functioneel, maar het is niet natuurlijk, zegt Kelly. Ik denk dat het lang zal duren om manieren te ontwikkelen om een beter zicht te krijgen, en ik denk niet dat het ooit helemaal natuurlijk zal zijn.
Toch zijn de hersenen opmerkelijk flexibel en kunnen ze zelfs vreemde informatie leren verwerken. We rekenen op hersenplasticiteit om deze nieuwe taal van stimulatie opnieuw te leren en een redelijk zicht te bieden, zegt Palanker. De geruststelling dat dit een redelijke aanname is, komt uit het veld van cochleaire implantaten.
Mensen met kunstmatige netvliezen krijgen na verloop van tijd een beter zicht. Tim Reddish, een 55-jarige inwoner van Nottingham, Engeland, die zijn gezichtsvermogen verloor door retinitis pigmentosa, kreeg in november een implantaat met een Retina-implantaat en heeft in de tussenliggende maanden indrukwekkende resultaten behaald. Hij verwacht dat zijn capaciteiten zullen blijven verbeteren. In de laboratoriumomgeving zegt Reddish, een met een gouden medaille bekroonde voormalige paralympische zwemmer, dat hij bestek en glaswerk kan identificeren en zelfs de tijd kan aflezen van een contrastrijke klok. Buiten, zegt hij, kan hij 's nachts de lijnen van gebouwen met glazen deuren en de koplampen van langzaam rijdende auto's waarnemen. Hij hoopt dat de komende zomer, een helderdere zon in het VK en voortdurende oefening hem zullen helpen meer te zien.
Gezichtsscherpte is niet de enige uitdaging voor deze apparaten. De harde, op silicium gebaseerde chips worden in een uiterst delicaat weefsel geplaatst dat deel uitmaakt van een met vloeistof gevulde bewegende bol. Chips kunnen op hun plaats vallen. Bovendien moeten de geïmplanteerde apparaten jarenlang de zware omstandigheden van het lichaam kunnen overleven zonder hun gebruikers te schaden. Over veiligheid op de zeer lange termijn zullen we jarenlang niets weten, zegt Rose.
Hoewel het benaderen van natuurlijk zicht het doel is van veel onderzoekers die kunstmatige netvliezen ontwikkelen, overwegen sommigen een grotere wereld van licht. Sommige camera's werken op golflengten die zelfs mensen niet kunnen zien, dus mogelijk heb je blinde patiënten die [een Second Sight-systeem] gebruiken om dingen te zien die anderen niet kunnen zien, zegt Brian Mech, vice-president bedrijfsontwikkeling bij Second Sight. Dat bedrijf werkt ook aan een idee dat netvliesstimulatie zou achterwege laten voor directe stimulatie van de visuele cortex, het hersengebied dat beelden verwerkt. In plaats van alleen uiterlijke retinale degeneraties te kunnen behandelen, zouden we in wezen blindheid door welke oorzaak dan ook kunnen behandelen, zegt Mech.
In de tussentijd zullen onderzoekers doorgaan met het aanpassen van de systemen, in een poging om meer zicht te herstellen voor degenen die het zijn kwijtgeraakt, en patiënten zoals Konstantopoulos willen graag hun vooruitgang zien. Zelfs die schaduw die ik voor me zie, of het nu een persoon is of iets anders, is iets uit het niets, zegt Konstantopoulos. Het geeft je het gevoel en de hoop dat er snel iets beters komt.