Jens Naumann was 17 toen een ongeluk een metaalsplinter van een spoorlijn in zijn linkeroog deed vliegen. Drie jaar later vernielde een metaalsplinter van een koppeling van een sneeuwscooter zijn rechteroog, waardoor hij in totale duisternis terechtkwam. Naumanns boek “Op zoek naar het paradijs” verhaalt over zijn wanhopige zoektocht naar het licht, in de eerste plaats als “alfapatiënt” van biomedisch ingenieur William Dobelle. In de jaren ’70 had Dobelle aangetoond dat het elektrisch stimuleren van visuele hersengebieden (de visuele cortex) mensen lichtvlekken of “fosfenen” deed waarnemen.
Het doel van de ingenieur was om een “bionisch oog” te ontwikkelen. Het apparaat zou bestaan uit een op het hoofd gemonteerde camera die video doorgeeft aan een computerprocessor, die vervolgens elektrische signalen zou sturen naar elektroden die in de visuele cortex zijn geïmplanteerd, waardoor visuele waarnemingen zouden worden gegenereerd. Naumann werd Dobelle’s beroemdste patiënt nadat hij in 2002 naar Portugal was gereisd voor een operatie; de FDA had de procedure in de V.S. verboden omdat de veiligheid ervan niet was bewezen. Zijn anekdotische verhalen over het waarnemen van ruwe contouren bleven het enige bewijs dat onderzoekers hadden dat waarneming van vormen mogelijk was met behulp van een dergelijk apparaat, omdat gegevens van deze procedures nooit werden gepubliceerd. Het apparaat degradeerde na een paar maanden, en Naumann’s nieuw ontdekte visuele wereld vervaagde, maar hij is door de jaren heen campagne blijven voeren om de technologie vooruit te helpen.
Een meer verfijnde versie die de technologie dichter bij routinematig praktisch gebruik bij mensen brengt, is nu gebouwd en getest op apen. Een team onder leiding van neurowetenschapper Pieter Roelfsema van het Nederlands Instituut voor Neurowetenschappen heeft de waarneming van positie, oriëntatie, beweging en lettervormen aangetoond bij twee ziende apen. De studie, die op 3 december in Science is gepubliceerd “is een technisch hoogstandje”, zegt neurochirurg Daniel Yoshor, die er niet bij betrokken was maar wel een begeleidend commentaar heeft geschreven. Het apparaat moet nog verder worden ontwikkeld voordat het klaar is voor gebruik bij mensen, maar het werk brengt de droom van het herstel van het gezichtsvermogen van mensen die dat niet hebben dichterbij. De aanpak is de enige mogelijke behandeling voor mensen zonder functionerende cellen in het oog-een groep die sommige glaucoom- en diabetespatiënten omvat en degenen die een fysiek trauma hebben meegemaakt.
In de nieuwe studie gebruikte het team 16 arrays, elk een raster van 64 elektroden, voor een totaal van 1024 elektroden. “We betegelden een groot deel van het oppervlak van de cortex, waardoor een interface ontstond met een groot deel van deze kaart van de visuele ruimte,” zegt Roelfsema. De visuele cortex heeft een eigenschap die bekend staat als “retinotopie”, wat betekent dat de visuele ruimte fysiek in kaart wordt gebracht op gebieden van de cortex, wat onderzoekers in staat stelt om fosfenen te genereren op specifieke punten in de ruimte. Een reeks experimenten toonde aan dat de apen de positie van individuele fosfenen, de oriëntatie van lijnen bestaande uit twee fosfenen, en de richting van de beweging geïmpliceerd door het stimuleren van twee opeenvolgende fosfenen konden identificeren. Tenslotte bleken apen die getraind waren in het herkennen van letters, in staat te zijn letters te herkennen die uit acht tot vijftien fosfenen waren opgebouwd. De fosfenen werden gegenereerd zonder gebruik te maken van camera’s door directe stimulatie van elektroden, en de apen gaven antwoorden aan met behulp van oogbewegingen.
Andere groepen werken aan hetzelfde probleem, en één is reeds bezig met het testen van apparaten op mensen. Een Californisch bedrijf, Second Sight, ontwikkelt een systeem genaamd Orion op zes blinde mensen in een FDA-goedgekeurde klinische proef. Net als het systeem van Dobelle gebruikt Orion elektroden die op het oppervlak van de hersenen zitten, waardoor de weefselschade en ontstekingen worden vermeden die ontstaan bij het gebruik van “penetrerende” implantaten, wat na verloop van tijd tot prestatieverlies leidt. Een nadeel van deze methode is dat de vereiste stromen relatief hoog zijn, waardoor het aantal elektroden dat veilig kan worden gebruikt, beperkt is. “Je wilt geen epilepsie opwekken”, zegt Roelfsema. De nieuwe studie van de Nederlandse groep maakte gebruik van penetrerende elektroden, die minder stroom nodig hebben. “We hebben dunne naalden gebruikt, zodat we maar een paar cellen kunnen activeren, met relatief milde stromen, honderd keer kleiner dan je nodig hebt met een oppervlakte-elektrode,” zegt Roelfsema. Het belangrijkste is dat het nieuwe apparaat een veel hogere resolutie heeft. Waar het nieuwe systeem 1.024 elektroden heeft, heeft het Orion-implantaat er 60, waardoor de ontvangers beperkt zijn tot het detecteren van gebieden met donker en licht.
Het zicht dat dit apparaat zou kunnen genereren, zou ruw zijn vergeleken met de rijkdom van natuurlijk zicht, maar nog steeds een aanzienlijk voordeel bieden. “Als je met niets begint, is 10, 20 procent al spelveranderend,” zegt Neena Haider van de Harvard Medical School, die niet bij het werk betrokken was. “Het geeft je een venster op hoe je door de wereld kunt navigeren.” Maar er zijn nog hindernissen voordat deze technologie bij mensen wordt toegepast. Ten eerste moeten de implantaten draadloos zijn – en andere groepen spannen zich in om draadloze hersenimplantaten te ontwikkelen. Bij de volgende stappen moeten ook de fysiologische gevolgen van het binnendringen van implantaten worden gemeten, zegt Haider. “Zij vraagt zich af welke cellulaire reacties er in de hersenen optreden, zowel wat de acute als de langetermijneffecten betreft. “Biocompatibiliteit” blijft een probleem, maar er liggen wellicht oplossingen in het verschiet. “Wij werken samen met groepen die dunne, flexibele elektroden ontwikkelen, die met staafjes in de hersenen worden geduwd en vervolgens weer worden teruggetrokken, zegt Roelfsema. “De eerste indrukken zijn dat deze nieuwe materialen zeer stabiel zijn, maar er is nog werk aan de winkel.”
Beter begrijpen hoe de hersenen visuele informatie verwerken zal ook helpen. “Er is een hardware-uitdaging en een software-uitdaging,” zegt Yoshor. “Soms verwaarlozen mensen het software-element, dat is hoe we de hersenen stimuleren.” Yoshor is een van de twee neurochirurgen die Orion bij patiënten hebben geïmplanteerd, en hij en collega’s hebben onlangs een studie gepubliceerd waarin de mogelijkheden ervan worden onderzocht. “Het is gemakkelijk om patiënten vlekken te laten zien,” zegt Yoshor. “Maar wanneer we ze proberen te combineren, zoals stadionlichten, is het veel moeilijker om patiënten een samenhangende vorm te laten waarnemen.” Het onderzoeksteam vroeg zich af of het uitbuiten van de neiging van de hersenen om veranderingen in stimulatie te detecteren zou kunnen helpen. “Als we zes elektroden tegelijk stimuleerden, zagen patiënten inconsistente klodders,” zegt Yoshor. “Maar als we over de hersenen veegden, waren patiënten onmiddellijk in staat om visuele vormen of letters te detecteren.”
De verwerking die wordt uitgevoerd door het visuele systeem is ongelooflijk complex, maar dieper begrip van deze verwerking, samen met meer verfijnde stimulatietechnologieën, zal deze apparaten blijven verbeteren. Yoshor vergelijkt het probleem met het spelen van muziek. “Het is als het verschil tussen het spelen van een akkoord en het slaan met je vuisten op een piano,” zegt hij. “Als je informatie ruw invoert, produceer je een kakofonie; het moet worden gedaan op een manier die muzikaal is.”