Jens Naumann war 17 Jahre alt, als ihm bei einem Unfall ein Metallsplitter von einer Bahnlinie in sein linkes Auge flog. Drei Jahre später zerstörte ein Metallsplitter von einer Schneemobilkupplung sein rechtes Auge und stürzte ihn in totale Dunkelheit. Naumanns Buch Suche nach dem Paradies erzählt von seiner verzweifelten Suche zurück ins Licht, vor allem als „Patient Alpha“ des Biomediziners William Dobelle. In den 1970er Jahren hatte Dobelle gezeigt, dass die elektrische Stimulierung visueller Hirnareale (des visuellen Kortex) bei Menschen die Wahrnehmung von Lichtflecken oder „Phosphenen“ hervorruft.

Das Ziel des Ingenieurs war es, ein „bionisches Auge“ zu entwickeln. Das Gerät sollte aus einer am Kopf befestigten Kamera bestehen, die Videos an einen Computerprozessor sendet, der dann elektrische Signale an Elektroden sendet, die in den visuellen Kortex implantiert sind und visuelle Wahrnehmungen erzeugen. Naumann wurde zu Dobelles berühmtesten Patienten, nachdem er 2002 für eine Operation nach Portugal gereist war; die FDA hatte das Verfahren in den USA verboten, da es sich als nicht sicher erwiesen hatte. Seine anekdotischen Berichte über die Wahrnehmung grober Umrisse blieben der einzige Beweis, den die Forscher hatten, dass die Wahrnehmung von Formen mit einem solchen Gerät möglich war, da die Daten dieser Verfahren nie veröffentlicht wurden. Das Gerät wurde nach einigen Monaten unbrauchbar, und Naumanns neu entdeckte visuelle Welt verblasste, aber er setzte sich über die Jahre hinweg für die Weiterentwicklung der Technologie ein.

Eine ausgefeiltere Version, die die Technologie dem routinemäßigen praktischen Einsatz bei Menschen näher bringt, wurde jetzt gebaut und an Affen getestet. Ein Team unter der Leitung des Neurowissenschaftlers Pieter Roelfsema vom Netherlands Institute for Neuroscience hat bei zwei sehenden Affen die Wahrnehmung von Position, Orientierung, Bewegung und Buchstabenformen nachgewiesen. Die Studie, die am 3. Dezember in Science veröffentlicht wurde, ist eine technische Meisterleistung“, sagt der Neurochirurg Daniel Yoshor, der nicht an der Studie beteiligt war, aber einen Begleitkommentar verfasst hat. Das Gerät muss noch weiterentwickelt werden, bevor es beim Menschen eingesetzt werden kann, aber die Arbeit bringt den Traum von der Wiederherstellung der Sehkraft bei Menschen, die keine haben, ein Stück näher. Der Ansatz ist die einzig mögliche Behandlung für Menschen ohne funktionierende Zellen im Auge – eine Gruppe, zu der auch einige Glaukom- und Diabetespatienten sowie Menschen gehören, die ein körperliches Trauma erlitten haben.

In der neuen Studie verwendete das Team 16 Arrays, jedes ein Gitter aus 64 Elektroden, insgesamt also 1024 Elektroden. „Wir haben einen großen Teil der Oberfläche des Kortex mit Kacheln versehen und damit eine Schnittstelle zu einem großen Teil dieser Karte des visuellen Raums geschaffen“, sagt Roelfsema. Der visuelle Kortex hat eine Eigenschaft, die als „Retinotopie“ bekannt ist, was bedeutet, dass der visuelle Raum physikalisch auf Bereiche des Kortex abgebildet wird, was es den Forschern ermöglicht, Phosphene an bestimmten Punkten im Raum zu erzeugen. Eine Reihe von Experimenten zeigte, dass die Affen die Position einzelner Phosphene, die Ausrichtung von Linien, die aus zwei Phosphenen bestehen, und die Richtung der Bewegung erkennen konnten, wenn zwei Phosphene nacheinander stimuliert wurden. Schließlich schienen Affen, die darauf trainiert worden waren, Buchstaben zu erkennen, in der Lage zu sein, Buchstaben zu identifizieren, die aus acht bis 15 Phosphenen erzeugt wurden. Die Phosphene wurden ohne den Einsatz von Kameras durch direkte Stimulation von Elektroden erzeugt, und die Affen zeigten ihre Reaktionen durch Augenbewegungen an.

Andere Gruppen arbeiten an demselben Problem, und eine testet bereits Geräte an Menschen. Ein kalifornisches Unternehmen, Second Sight, entwickelt ein System namens Orion an sechs blinden Menschen in einer von der FDA genehmigten klinischen Studie. Wie das System von Dobelle verwendet Orion Elektroden, die auf der Oberfläche des Gehirns sitzen, wodurch Gewebeschäden und Entzündungen vermieden werden, die bei der Verwendung „durchdringender“ Implantate entstehen und mit der Zeit zu einem Leistungsverlust führen. Ein Nachteil dieser Methode ist, dass die erforderlichen Ströme relativ hoch sind, was die Anzahl der Elektroden begrenzt, die sicher verwendet werden können. „Man will ja keine Epilepsie auslösen“, sagt Roelfsema. In der neuen Studie der niederländischen Gruppe wurden durchdringende Elektroden verwendet, die weniger Strom benötigen. „Wir haben dünne Nadeln verwendet, so dass wir nur wenige Zellen mit relativ schwachen Strömen aktivieren können, die hundertmal geringer sind als bei einer Oberflächenelektrode“, sagt Roelfsema. Am wichtigsten ist, dass das neue Gerät eine viel höhere Auflösung hat. Während das neue System über 1 024 Elektroden verfügt, hat das Orion-Implantat nur 60, so dass die Empfänger nur dunkle und helle Bereiche erkennen können.

Das Sehvermögen, das dieses Gerät erzeugen könnte, wäre im Vergleich zum Reichtum des natürlichen Sehvermögens sehr grob, würde aber dennoch einen erheblichen Nutzen bringen. „Wenn man bei Null anfängt, sind 10 oder 20 Prozent schon ein großer Fortschritt“, sagt Neena Haider von der Harvard Medical School, die nicht an der Arbeit beteiligt war. „Man erhält einen Einblick, wie man sich in der Welt zurechtfindet. Doch bevor diese Technologie beim Menschen zum Einsatz kommt, gibt es noch einige Hindernisse. Zunächst müssen die Implantate drahtlos sein – andere Gruppen bemühen sich um die Entwicklung drahtloser Gehirnimplantate. In den nächsten Schritten müssen auch die physiologischen Folgen des Eindringens in die Implantate gemessen werden, sagt Haider. „Welche zellulären Reaktionen treten im Gehirn auf?“, fragt sie, sowohl was die akuten als auch die langfristigen Auswirkungen betrifft. Die „Biokompatibilität“ ist nach wie vor ein Problem, aber vielleicht gibt es schon Lösungen. „Wir arbeiten mit Gruppen zusammen, die dünne, flexible Elektroden entwickeln“, die mit Hilfe von Stäben in das Gehirn geschoben und dann wieder zurückgezogen werden, sagt Roelfsema. „Der erste Eindruck ist, dass diese neuen Materialien sehr stabil sind, aber es gibt noch viel zu tun.“

Ein besseres Verständnis, wie das Gehirn visuelle Informationen verarbeitet, wird ebenfalls helfen. „Es gibt eine Hardware- und eine Software-Herausforderung“, sagt Yoshor. „Manchmal wird das Software-Element vernachlässigt, also die Art und Weise, wie wir das Gehirn stimulieren.“ Yoshor ist einer von zwei Neurochirurgen, die Orion in Patienten implantiert haben, und er und seine Kollegen haben kürzlich eine Studie veröffentlicht, in der die Möglichkeiten des Systems untersucht wurden. „Es ist einfach, Patienten dazu zu bringen, Punkte zu sehen“, sagt Yoshor. „Aber wenn wir versuchen, sie zu kombinieren, wie z. B. Stadionlichter, ist es viel schwieriger, die Patienten dazu zu bringen, eine kohärente Form wahrzunehmen“. Das Forscherteam fragte sich, ob es helfen könnte, die Neigung des Gehirns zur Erkennung von Veränderungen bei der Stimulation auszunutzen. „Wenn wir sechs Elektroden gleichzeitig stimulierten, sahen die Patienten uneinheitliche Kleckse“, sagt Yoshor. „

Die vom visuellen System durchgeführte Verarbeitung ist unglaublich komplex, aber ein tieferes Verständnis dieser Verarbeitung wird zusammen mit ausgefeilteren Stimulationstechnologien zu weiteren Fortschritten bei diesen Geräten führen. Yoshor vergleicht das Problem mit dem Abspielen von Musik. „Es ist wie der Unterschied zwischen dem Spielen eines Akkords und dem Schlagen eines Klaviers mit den Fäusten“, sagt er. „Wenn man Informationen grob eingibt, erzeugt man eine Kakophonie; es muss auf eine musikalische Art und Weise geschehen“

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