Jens Naumann var 17 år när en olycka skickade ett metallfragment från en järnvägslinje in i hans vänstra öga. Tre år senare förstörde en metallbit från en snöskoterkoppling hans högra öga och kastade honom in i totalt mörker. Naumanns bok Search for Paradise berättar om hans desperata strävan tillbaka till ljuset, främst som biomedicinsk ingenjör William Dobelles ”patient alfa”. På 1970-talet hade Dobelle visat att elektrisk stimulering av visuella hjärnområden (den visuella hjärnbarken) fick människor att uppfatta ljusfläckar, eller ”fosfenes”.
Ingenjörens mål var att utveckla ett ”bioniskt öga”. Apparaten skulle bestå av en huvudmonterad kamera som matar video till en datorprocessor, som sedan skulle skicka elektriska signaler till elektroder implanterade i den visuella cortexen, vilket genererar visuella perceptioner. Naumann blev Dobelles mest kända patient efter att ha rest till Portugal för att opereras 2002. Livsmedelsverket hade förbjudit ingreppet i USA eftersom det inte hade visat sig vara säkert. Hans anekdotiska berättelser om att han uppfattade grova konturer förblev det enda bevis som forskarna hade på att det var möjligt att uppfatta former med hjälp av en sådan apparat, eftersom data från dessa ingrepp aldrig publicerades. Apparaten försämrades efter några månader och Naumanns nyfunna visuella värld försvann, men han har genom åren fortsatt att bedriva kampanj för att föra tekniken framåt.
En mer sofistikerad version som för tekniken närmare rutinmässig praktisk användning på människor har nu byggts och testats på apor. Ett team under ledning av neurovetenskapsmannen Pieter Roelfsema från Nederländernas institut för neurovetenskap har visat att två synskadade apor kan uppfatta position, orientering, rörelse och bokstavsformer. Studien, som publicerades den 3 december i Science, ”är en teknisk kraftsamling”, säger neurokirurgen Daniel Yoshor, som inte deltog i studien men som är medförfattare till en medföljande kommentar. Apparaten behöver vidareutvecklas innan den är redo att användas på människor, men arbetet för drömmen om att återställa synen för människor som inte har någon syn närmare. Metoden är den enda möjliga behandlingen för människor utan fungerande celler i ögat – en grupp som omfattar vissa glaukom- och diabetespatienter och de som har upplevt ett fysiskt trauma.
I den nya studien använde teamet 16 matriser, var och en ett rutnät med 64 elektroder, för totalt 1024 elektroder. ”Vi kaklade en stor del av cortexens yta och skapade därmed ett gränssnitt med en stor del av den här kartan över det visuella rummet”, säger Roelfsema. Den visuella hjärnbarken har en egenskap som kallas ”retinotopi”, vilket innebär att det visuella rummet fysiskt kartläggs på områden av hjärnbarken, vilket gör det möjligt för forskarna att generera fosforer vid specifika punkter i rummet. En rad experiment visade att aporna kunde identifiera positionen för enskilda fosfenor, orienteringen av linjer som består av två fosfenor och den rörelseriktning som stimulering av två i följd innebar. Slutligen verkade apor som hade tränats att känna igen bokstäver kunna identifiera bokstäver som genererats av mellan åtta och 15 fosforer. Fosforerna genererades utan användning av kameror genom direkt stimulering av elektroder, och aporna indikerade svaren med hjälp av ögonrörelser.
Andra grupper arbetar med samma problem, och en av dem testar redan anordningar på människor. Ett kaliforniskt företag, Second Sight, utvecklar ett system som kallas Orion på sex blinda personer i en FDA-godkänd klinisk prövning. Liksom Dobelles system använder Orion elektroder som sitter på hjärnans yta som undviker de vävnadsskador och inflammationer som uppstår vid användning av ”penetrerande” implantat, vilket resulterar i en förlust av prestanda med tiden. En nackdel med denna metod är att de strömmar som krävs är relativt höga, vilket begränsar antalet elektroder som kan användas på ett säkert sätt. ”Man vill inte framkalla epilepsi”, säger Roelfsema. I den nya studien från den nederländska gruppen användes penetrerande elektroder, som kräver mindre ström. ”Vi använde tunna nålar, så att vi kan aktivera bara några få celler, med relativt milda strömmar, hundra gånger mindre än vad man behöver med en ytelektrod”, säger Roelfsema. Det viktigaste är att den nya anordningen har en mycket högre upplösning. Där det nya systemet har 1 024 elektroder har Orion-implantatet 60, vilket begränsar mottagarna till att upptäcka mörka och ljusa områden.
Den syn som denna anordning skulle kunna generera skulle vara grov jämfört med rikedomen i den naturliga synen, men ändå ge en betydande fördel. ”När man börjar med ingenting är 10, 20 procent en förändring”, säger Neena Haider vid Harvard Medical School, som inte var inblandad i arbetet. ”Det ger dig ett fönster till hur du kan navigera i världen.” Men det finns fortfarande hinder innan tekniken kan användas av människor. Först måste implantaten vara trådlösa – och andra grupper gör ansträngningar för att utveckla trådlösa hjärnimplantat. I nästa steg måste man också mäta de fysiologiska konsekvenserna av penetrerande implantat, säger Haider. ”Vilka cellulära reaktioner sker i hjärnan?” frågar hon, både när det gäller akuta och långsiktiga effekter. ”Biokompatibilitet” är fortfarande ett problem, men det kan finnas lösningar. ”Vi samarbetar med grupper som utvecklar tunna, flexibla elektroder som skjuts in i hjärnan med hjälp av stavar som sedan dras tillbaka, säger Roelfsema. ”Det första intrycket är att dessa nya material är mycket stabila, men det finns fortfarande arbete att göra.”
En bättre förståelse för hur hjärnan bearbetar visuell information kommer också att vara till hjälp. ”Det finns en hårdvaruutmaning och en mjukvaruutmaning”, säger Yoshor. ”Ibland försummar folk mjukvaruelementet, som är hur vi stimulerar hjärnan.” Yoshor är en av två neurokirurger som har implanterat Orion i patienter, och han och kollegor publicerade nyligen en studie som utforskar dess möjligheter. ”Det är lätt att få patienterna att se fläckar”, säger Yoshor. ”Men när vi försöker kombinera dem, som stadionljus, är det mycket svårare att få patienterna att uppfatta en sammanhängande form.” Forskargruppen undrade om det skulle kunna hjälpa att utnyttja hjärnans benägenhet att upptäcka förändringar i stimuleringen. ”Om vi stimulerade sex elektroder samtidigt såg patienterna inkonsekventa klumpar”, säger Yoshor. ”Men när vi svepte över hjärnan kunde patienterna omedelbart upptäcka visuella former eller bokstäver.”
Behandlingen som utförs av det visuella systemet är otroligt komplex, men en djupare förståelse av denna behandling, tillsammans med mer sofistikerade stimuleringstekniker, kommer att fortsätta att utveckla dessa apparater. Yoshor jämför problemet med att spela musik. ”Det är som skillnaden mellan att spela ett ackord och att slå på ett piano med knytnävarna”, säger han. ”Om man matar in information grovt producerar man en kakofoni; det måste göras på ett sätt som är musikaliskt.”