Blind woman sees with new implant and plays video game sent straight to her brain

Het is meer dan een decennium geleden dat kunstmatige netvliezen voor het eerst blinden hielpen zien. Maar voor veel mensen, bij wie de blindheid buiten het netvlies ontstaat, schiet de technologie tekort. Daarom slaat nieuw onderzoek uit Spanje de ogen volledig over en stuurt in plaats daarvan signalen rechtstreeks naar de visuele cortex van de hersenen.

Verbazingwekkend genoeg kon Bernardeta Gómez, die lijdt aan toxische optische neuropathie, 15 jaar nadat ze haar zicht verloor, met behulp van de experimentele technologie lichten, letters, vormen en mensen herkennen — en zelfs een eenvoudig videospel spelen dat rechtstreeks naar haar hersenen werd gestuurd via een implantaat.

Volgens MIT Technology Review begon Gómez pas eind 2018 met onderzoekers te werken. In de volgende zes maanden bracht ze vier dagen per week door met het afstellen van de instellingen van de technologie en het testen van de grenzen ervan.

Het systeem, ontwikkeld door Eduardo Fernandez, directeur van neurotechniek aan de Universiteit van Miguel Hernandez, werkt als volgt.

Een camera ingebed in een bril met dik, zwart montuur registreert Gómez's gezichtsveld en stuurt dit naar een computer. De computer vertaalt de gegevens in elektrische impulsen die de hersenen kunnen lezen en stuurt deze door naar een hersenimplantaat via een kabel die is aangesloten op een poort in de schedel. Het implantaat stimuleert neuronen in Gómez's visuele cortex, die haar hersenen interpreteren als binnenkomende sensorische informatie. Gómez neemt een lage-resolutie weergave van haar omgeving waar in de vorm van gele stippen en vormen, zogenaamde fosfenen, die ze heeft leren interpreteren als objecten in de wereld om haar heen.

De technologie zelf bevindt zich nog steeds in een zeer vroeg stadium—Gómez is de eerste die het test—maar het team streeft ernaar om de komende jaren met vijf extra patiënten te werken. Uiteindelijk hoopt Fernandez dat hun inspanningen kunnen helpen het zicht terug te geven aan nog veel meer blinde mensen wereldwijd.

Dit is niet de eerste keer dat onderzoekers technologie gebruiken om blinden weer te laten zien.

Ongeveer twee decennia geleden bracht het Artificial Retina Project een aantal onderzoeksinstellingen samen om een apparaat te ontwikkelen voor mensen die lijden aan netvliesvernietigende ziekten. Het werk resulteerde in de Argus-systemen, die, net als Fernandez’ systeem, gebruikmaken van een camera gemonteerd op een bril, een computer om sensorische gegevens te vertalen, en een implantaat met een reeks elektroden die in het netvlies zijn ingebed (in plaats van in de hersenen).

In de loop van ongeveer tien jaar hebben onderzoekers de Argus I- en Argus II-systemen ontwikkeld, deze door menselijke proeven geleid, en goedkeuring verkregen in Europa (2011) en de VS (2013) om hun bionische ogen te verkopen aan geschikte personen.

Volgens MIT Technology Review gebruiken vandaag ongeveer 350 mensen Argus II, maar het bedrijf dat de apparaten op de markt brengt, Second Sight, is overgestapt van kunstmatige netvliezen naar de hersenen zelf omdat veel meer mensen, zoals Gómez, lijden aan schade aan de neurale paden tussen de ogen en de hersenen.

Vorig jaar nog was Second Sight betrokken bij onderzoek, samen met UCLA en Baylor, waarbij een systeem werd getest dat ook het netvlies omzeilt en visuele informatie rechtstreeks naar de hersenen stuurt.

Het systeem, genaamd Orion, lijkt op Argus II. Een feed van een videocamera die op een donkere bril is gemonteerd, wordt omgezet in elektrische pulsen die naar een implantaat worden gestuurd dat de hersenen stimuleert. Het apparaat is draadloos en bevat een riem met een knop om donkere objecten in de zon of lichte objecten in het donker te versterken. Net als Fernandez’s systeem ziet de gebruiker een laagoplossend patroon van fosfenen dat zij interpreteren als objecten.

"Ik zie kleine witte stipjes op een zwarte achtergrond, alsof ik 's nachts naar de sterren kijk," zei Jason Esterhuizen, die de tweede proefpersoon was die het apparaat kreeg. "Als iemand naar me toe loopt, zie ik misschien drie kleine stipjes. Naarmate ze dichter bij me komen, lichten er steeds meer stipjes op."

Hoewel het onderzoek veelbelovend is—het is aangewezen als een FDA Doorbraakapparaat en wordt getest met zes patiënten—waarschuwde Dr. Daniel Yoshor, onderzoeksleider en neurochirurg, vorig jaar tegen de Guardian dat het nog "een lange weg te gaan heeft van wat we hopen te bereiken."

Hersenimplantaten zijn veel riskanter dan oogimplantaten, en als het oorspronkelijke Argus-systeem een indicatie is, kan het nog jaren duren voordat deze nieuwe apparaten buiten onderzoek op grote schaal worden gebruikt.

Toch ontwikkelen brein-machine-interfaces (BMI's) zich snel op verschillende fronten.

Het implantaat dat in Fernandez' onderzoek wordt gebruikt, is een vrij gangbaar apparaat genaamd een Utah-array. De vierkante array is enkele millimeters breed en bevat 100 elektrodestekels die in de hersenen worden ingebracht. Elke stekel stimuleert enkele neuronen. Vergelijkbare implantaten hebben verlamde mensen geholpen robotarmen te bedienen en berichten te typen met alleen hun gedachten.

Hoewel ze de bron zijn geweest van verschillende BMI-doorbraken, zijn de arrays niet perfect.

De elektroden beschadigen het omliggende hersenweefsel, littekens maken ze al te snel onbruikbaar, en ze werken slechts samen met een handjevol neuronen. Het ideale apparaat zou draadloos zijn, tientallen jaren in de hersenen meegaan—waardoor het aantal benodigde operaties wordt beperkt—en een grotere precisie en resolutie bieden.

Ferndandez gelooft dat zijn implantaat kan worden aangepast om tientallen jaren mee te gaan, en hoewel de huidige maximale resolutie 10 bij 10 pixels is, voorziet hij dat er op een dag wel 6 aan elke kant van de hersenen kunnen worden geïmplanteerd om een resolutie van ten minste 60 bij 60 pixels te leveren

Daarnaast zijn er nieuwe technologieën in ontwikkeling. Bekend is dat het bedrijf Neuralink van Elon Musk zachte, draadachtige elektroden ontwikkelt die behendig door een robot in hersenweefsel worden aangebracht. Neuralink streeft ernaar om 3.000 elektroden op hun apparaat te plaatsen om veel meer neuronen te kunnen aanspreken dan momenteel mogelijk is (hoewel het niet duidelijk is of er een limiet is aan hoeveel extra neuronen daadwerkelijk waarde toevoegen). Andere benaderingen, die waarschijnlijk verder in de toekomst liggen, doen het gebruik van elektroden helemaal achterwege en maken gebruik van licht of chemicaliën om genbewerkte neuronen te besturen.

Het proces van Fernandez vertrouwt ook op meer dan alleen de hardware. Het team gebruikte bijvoorbeeld machine learning om de software te schrijven die visuele informatie omzet in neurale code. Dit kan verder worden verfijnd, en in de komende jaren, terwijl ze aan het systeem als geheel werken, zullen de componenten ongetwijfeld parallel verbeteren.

Maar hoe snel dit allemaal samengaat in een product voor breder gebruik is niet duidelijk.

Fernandez haast zich om de verwachtingen bij te stellen—hij wijst erop dat dit nog steeds vroege experimenten zijn, en hij wil niemand valse hoop geven. Toch, gegeven de keuze, zei Gómez dat ze ervoor zou hebben gekozen om het implantaat te houden en zou ze niet twee keer nadenken over het installeren van versie twee.

“Dit is een opwindende tijd in de neurowetenschap en neurotechnologie, en ik heb het gevoel dat we binnen mijn leven functioneel zicht aan blinden kunnen herstellen,” zei Yoshor vorig jaar.

Afbeelding tegoed: Harry Quan / Unsplash. Door Jason Dorrier. Dit artikel verscheen oorspronkelijk op Singularity Hub, een publicatie van Singularity University.