Künstliche retina könnte den blick auf die blinden wiederherstellen


Künstliche retina könnte den blick auf die blinden wiederherstellen

Zwei Forscher in den USA haben einen großen Schritt vorwärts in der Entwicklung der Technologie, um blinden Menschen zu helfen zu sehen: sie haben eine künstliche Netzhaut, die normale Vision in blinden Mäusen wiederhergestellt haben. Und sie haben bereits einen Weg gemacht, um ein ähnliches Gerät für Affen zu machen, die sie hoffen, schnell umzusetzen und für den menschlichen Gebrauch zu testen.

Künstliche Retinas sind keine neue Erfindung, aber die bisher produzierten produzieren nur grobe Sehfelder, wo der Benutzer Flecken und Lichtkanten sieht, um ihnen zu helfen, zu navigieren.

Aber die, die Sheila Nirenberg und Chethan Pandarinath am Weill Cornell Medical College in New York entwickelt haben, ermöglicht es Tieren, Gesichtszüge zu erkennen und bewegte Bilder zu verfolgen.

Sie melden ihren Durchbruch online in der 13. August Ausgabe der Proceedings der Nationalen Akademie der Wissenschaften (PNAS) .

Einzigartiges Feature: Codierte Neuronale Signale

Ihre künstliche Netzhaut ist anders, weil sie ein einzigartiges Merkmal beinhaltet: den neuronalen Code, den die Netzhautzellen verwenden, um die visuellen Informationen dem Gehirn zu vermitteln. Das Kombinieren des Codes mit der Fähigkeit, eine große Anzahl von lichtempfindlichen Zellen zu stimulieren, erzeugt ein System, das dem Gehirn die richtige Menge und Art der Information gibt, um "zu sehen".

Lead-Autor Nirenberg, ein rechnerischer Neurowissenschaftler bei Weill Cornell, sagte der Presse, dass sie eines Tages blinde Menschen in der Lage sein wird, ein Visier zu tragen, ähnlich dem, das Geordi La Forge auf der Fernsehshow Star Trek trägt. Das Visier wird eine Kamera haben, die Licht und einen Chip nimmt, der dieses Licht in einen Code verwandelt, den das Gehirn benutzt, um das Bild neu zu erstellen.

"Es ist eine aufregende Zeit. Wir können blinde Maus-Retinas sehen, und wir bewegen uns so schnell wie wir können, um das gleiche beim Menschen zu tun ", Sagte Nirenberg, Professor an der Abteilung für Physiologie und Biophysik und im Institut für Computational Biomedicine bei Weill Cornell.

Wie die Retina funktioniert

Wissenschaftler hoffen, dass künstliche Retinas verwendet werden könnten, um die menschliche Blindheit innerhalb eines Jahrzehnts zu behandeln.

Normales Sehen ist, wo Licht ins Auge eintritt und auf lichtempfindliche Zellen fällt, die auf der Oberfläche der Netzhaut liegen. Die "Schaltkreise" in der Retina wandeln das Licht in eine Reihe von codierten elektrischen Signalen oder neuronalen Impulsen um und übergeben sie auf Ausgangszellen, die als Ganglienzellen bezeichnet werden, die die codierten Impulse über den Sehnerv an der Rückseite des Auges an das Gehirn übertragen.

Das Gehirn versteht den Strom der kodierten neuralen Impulse und übersetzt sie in sinnvolle Bilder.

Eine häufige Ursache der Blindheit ist, wenn die Netzhaut durch Krankheiten beschädigt wird, die die Photorezeptoren töten und / oder die Kreise zerstören, die die codierten neuralen Impulse erzeugen. Aber oft, diese Krankheiten nicht beschädigen die Ausgabezellen.

Warum aktuelle Prothetik kann nicht die volle Arbeit

Die gegenwärtige Prothetik arbeitet unter Verwendung von Elektroden, die in das Auge des blinden Patienten implantiert werden, um die überlebenden Zellen zu treiben: sie stimulieren die Ganglienzellen mit elektrischem Strom.

Aber diese Methode erzeugt nur sehr grobe Gesichtsfelder: Die Zellen werden angeregt, aber sie erhalten nicht die richtigen Signale, eine Art neuronales Äquivalent von "weißem Rauschen".

Die Wissenschaftler arbeiten auf verschiedenen Wegen, um diesen Ansatz zu verbessern. Zum Beispiel ist ein Weg, um mehr Stimulatoren im Implantat zu haben, in der Hoffnung, dass mit mehr Stimulation das Bild sich verbessern wird.

Ein weiterer Ansatz, der getestet wird, ist die Verwendung von Gentherapie, um lichtempfindliche Proteine ​​in der Netzhaut zu erzeugen, um die Ganglienzellen zu stimulieren.

Aber die Erfindung, die "Warten auf Geschehen" war, wie Nirenberg erklärt, ist eine, die nicht nur eine große Anzahl von Zellen anregt, sondern sie auch mit dem richtigen Code anregt, derselbe, den die Netzhaut benutzt, um mit dem Gehirn zu kommunizieren.

Wie sie die Entdeckung gemacht haben

Nirenberg hatte die Idee, daß jedes Muster, das auf die Netzhaut fällt, in äquivalente Muster von neuralen Impulsen über einen allgemeinen Code oder Satz von mathematischen Gleichungen umgewandelt werden muß.

Sie sagte, die Leute haben versucht, den Code für einfache Muster zu finden. Aber sie war überzeugt, dass der Code für jede Art von Stimulus, einfach und komplex, verallgemeinerbar sein musste, sei es für Gesichter, Landschaften, alles, was das Auge sieht.

Der eigentliche "aha" Moment kam, als sie an dem Code aus einem anderen Grund arbeitete, sagte Nirenberg. Sie erkannte, was sie gefunden hatte, um an einer Prothese zu arbeiten.

So haben sie und Pandarinath die Gleichungen gesetzt, auf denen sie auf einem elektronischen Chip arbeiteten, und kombinierten sie mit einem Mini-Projektor.

Der Chip übersetzt das Lichtmuster (das Bild), das in das Auge kommt, in codierte elektrische Impulse, und der Mini-Projektor wandelt sie in Lichtimpulse um.

Die Lichtimpulse stimulieren die lichtempfindlichen Proteine, die in die Ganglienzellen eingefügt wurden, und das Ergebnis ist, dass das Gehirn kodierte neuronale Impulse erhält.

Sie haben die Methode bei Mäusen getestet. Sie machten und verglichen zwei Versionen der Prothese: eine ohne den Code und eine mit dem Code.

Nirenberg sagte, der Effekt sei dramatisch. Wenn sie in den Code setzen, springt die Leistung des Systems auf nahezu normale Ebenen, das heißt:

"... es gab genügend Informationen über die Ausgabe des Systems, um Bilder von Gesichtern, Tieren zu rekonstruieren - im Grunde alles, was wir versuchten", sagte Nirenberg.

Sie haben einige strenge Tests gemacht, um festzustellen, dass die Muster, die mit Hilfe der Prothese in den retininen der blinden Mäuse gemacht wurden, mit denen übereinstimmen, die von Retinas beim Sehen von Mäusen erzeugt wurden.

Die Studie zeigt, dass die kritischen Komponenten für die Herstellung einer hochwirksamen Retinalprothese, der Retina-Code und eine hochauflösende Methode der Ganglienzellstimulation jetzt mehr oder weniger vorhanden sind, sagte Nirenberg.

Nächster Schritt

Das neue Gerät bietet Hoffnung für die 25 Millionen Menschen auf der ganzen Welt, deren Blindheit auf Netzhautkrankheiten zurückzuführen ist. Drogen können helfen, einen kleinen Prozentsatz dieser Bevölkerung, aber ihre beste Chance zur Wiederherstellung der Sicht ist mit einer Prothese.

Die Sicherheit und Wirksamkeit der Prothese muss nun in menschlichen Versuchen getestet werden, um insbesondere zu zeigen, dass der Gentherapie-Teil, der die lichtempfindlichen Proteine ​​macht, sicher ist.

Allerdings schlägt Nirenberg vor, dass der Gentherapieteil sich als sicher erweisen wird, weil es die gleiche Therapieart ist, die auf die Behandlung anderer Netzhautkrankheiten getestet wurde.

Sie sagte, dass der ganze Prozess "spannend" gewesen ist und dass sie nicht warten kann, bis die Prüfung durchgeführt wird, damit die Patienten so schnell wie möglich profitieren können.

Stipendien der National Institutes of Health und Cornell University Institute für Computational Biomedicine half Finanzierung der Studie, und beide Autoren haben ein Patent auf dem Gerät eingereicht.

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