In het septembernummer 2013 van AccessWorld beschreven we vier baanbrekende ontwikkelingen op het gebied van slechtziendheid, waaronder de Implantable Miniature Telescope van VisionCare Ophthalmic Technologies, en de Argus II Retinal Prosthesis van Second Sight. De eerste daarvan is een telescopische lens ter grootte van een erwt die het bruikbare zicht vergroot van personen die het centrale gezichtsvermogen hebben verloren ten gevolge van leeftijdsgebonden maculadegeneratie in een gevorderd stadium. De Argus II is bedoeld voor mensen met retinitis pigmentosa (RP) in een gevorderd stadium. De Argus II maakt gebruik van een draadloos signaal om de oogzenuw rechtstreeks te stimuleren via een geïmplanteerde reeks elektroden, waarbij de door RP beschadigde staafjes en kegeltjes worden omzeild.
Hoe opmerkelijk deze oplossingen ook mogen zijn, ze hebben één struikelblok gemeen: ze gaan er telkens van uit dat de ontvanger een goed werkende oogzenuw heeft die visuele signalen adequaat naar de hersenen kan zenden voor verwerking. Maar wat als de oogzenuw beschadigd is door glaucoom, multiple sclerose of trauma? Zou er een manier zijn om deze meest complexe en kwetsbare zenuwvezels te herstellen? Of, nog beter, ze helemaal te omzeilen?
In dit artikel beschrijven we twee recente onderzoeksdoorbraken – een die de mogelijkheid laat zien om beschadigde oogzenuwen te helpen regenereren, en de tweede, een systeem genaamd Gennaris, dat zicht kan produceren zonder de oogzenuw, of zelfs zonder het oog zelf.
Hergeneratie van een oogzenuw
De oogzenuw is een van de belangrijkste zenuwen in het lichaam, na het ruggenmerg (het ruggenmerg telt duizenden zenuwstrengen, terwijl de oogzenuw er maar één heeft). Toen Zhigang He, hoogleraar neurologie aan het F.M. Kirby Neurobiology Center van het Boston Children’s Hospital, vijftien jaar geleden een laboratorium opzette om manieren te onderzoeken om zenuwvezels te regenereren bij mensen met ruggenmergletsel, besloot hij dat de beste plaats om te beginnen zou zijn om neurale regeneratie te proberen in beschadigde oogzenuwen als proxy.
Anderen hebben geprobeerd oogzenuwregeneratie of -reparatie uit te voeren. Bij de eerste pogingen werden stukjes heupzenuw gesplitst om de beschadigde oogzenuw te vervangen. De meeste axonen groeiden niet opnieuw aan. Ongeveer acht jaar geleden probeerde Dr. He’s groep genexcisie om tumor-onderdrukkende genen te verwijderen of te blokkeren. Dit leidde tot enige regeneratie van de oogzenuw, maar het verhoogde ook het risico op kanker. Hun recente werk met Dr. Joshua Sanes aan Harvard vond een gentherapie strategie om de groeifactor activiteiten te verhogen, die de regeneratie effecten veroorzaakt door tumor onderdrukker schrapping zou kunnen nabootsen. Toch was het aantal geregenereerde axonen door deze benaderingen beperkt.
Hij en zijn mede-senior-onderzoeker, Boston Children’s Hospital assistent-professor neurologie Michela Fagiolini, gingen een stap verder met gentherapie. Ze gebruikten een gentherapie-virus genaamd AAV om drie factoren toe te dienen om de respons van groeifactoren te stimuleren in het netvlies, dat deel uitmaakt van het oogzenuwstelsel.
“Na verloop van tijd waren we in staat om steeds langere zenuwvezels te regenereren in muizen met beschadigde oogzenuwen,” rapporteert hij. “Helaas brachten de nieuwe zenuwvezels geen impulsen, zogenaamde actiepotentialen, over van het oog naar de hersenen, zodat er geen nieuw gezichtsvermogen ontstond.”
Hij en Fagiolini ontdekten het probleem doordat de nieuwe zenuwvezels groeiden zonder de vettige omhulling die Myeline wordt genoemd. Myeline isoleert zenuwvezels en houdt neurale signalen op het juiste spoor, zoals de isolatie rond een koperdraad de elektrische stroom naar de lamp leidt in plaats van naar de muur en de stopcontacten.
In de medische literatuur lazen hij en Fagiolini over een kaliumkanaalblokker genaamd 4-aminopyridine (4-AP), waarvan bekend is dat hij de geleiding van berichten verbetert in zenuwvezels die niet voldoende myeline hebben. 4-AP wordt als AMPYRA op de markt gebracht voor de behandeling van MS-gerelateerde loopmoeilijkheden, waarbij ook myeline verloren gaat.
“Toen we 4-TP toedienden, konden de signalen de hele afstand afleggen,” zegt Fagiolini. In een apart lab, waar ze niet wisten welke van de blinde muizen was behandeld, werd bevestigd dat de behandelde muizen reageerden op bewegende lichtstaven, terwijl de controlegroep dat niet deed.
“Er moet nog veel werk worden verricht voordat deze behandeling klaar is voor proeven op mensen,” zegt hij. Het team gebruikte bijvoorbeeld een gentherapie-virus om de groeifactoren toe te dienen die de regeneratie van de oogzenuw stimuleerden, maar He en Fagiolini denken dat ze een injecteerbare “cocktail” van groeifactor-eiwitten kunnen maken die even effectief zou kunnen zijn. “We proberen de mechanismen beter te begrijpen en hoe vaak de eiwitten moeten worden geïnjecteerd,” zegt He.
Ook de mogelijke bijwerkingen van het gebruik van 4-AP om de signaaloverdracht van de oogzenuw te verhogen, moeten nog worden opgelost. Het medicijn kan aanvallen veroorzaken als het chronisch wordt toegediend, dus He en Fagiolini zijn begonnen met het testen van niet door de FDA goedgekeurde 4-AP-derivaten die veiliger zouden zijn voor langdurig gebruik. Ondanks de resterende hindernissen blijven He en Fagiolini optimistisch. “
The Mind’s Eye
Hergeneratie van de oogzenuw zou miljoenen mensen kunnen helpen, maar wat als we de oogzenuw helemaal zouden kunnen omzeilen en zonder oog zouden kunnen zien, of zelfs zonder fysieke ogen? Dat is het doel van Arthur Lowery, hoogleraar elektrotechniek en computersystemen aan de Australische Monash University. Lowery en zijn team werken momenteel aan Gennaris, een systeem dat de visuele cortex van de hersenen rechtstreeks stimuleert door een raster van elektrische impulsen te verzenden dat de hersenen kunnen interpreteren als herkenbare patronen van licht en donker.
Het onderzoek naar “hersen”-zicht gaat terug tot de jaren zestig van de vorige eeuw. “In die tijd had je een kamer vol apparatuur nodig om überhaupt resultaten te krijgen,” merkt Lowery op. “Zelfs nog maar tien of vijftien jaar geleden betekende het produceren van een raster van driehonderd lichtpunten dat je een bundel van 300 afzonderlijke draden van de hersenen naar een grote, externe videocamera moest leiden.” Lowery en zijn team bouwen voort op dit eerdere werk en maken gebruik van de aanzienlijke vooruitgang die de afgelopen tien jaar is geboekt op het gebied van verwerkingsvermogen, miniaturisatie van componenten, draadloze datatransmissie en inductie-energieoverdracht, zoals die nu wordt aangetroffen in sommige mobiele telefoons die boven op de oplader kunnen worden geplaatst in plaats van te moeten worden aangesloten.
In normaal zicht passeert licht de pupil en de lens van het oog en stimuleert het staafjes en kegeltjes, dat zijn de foto-ontvangende cellen die het netvlies bedekken. Deze fotochemische signalen worden omgezet in neurale impulsen, die op hun beurt via de oogzenuw worden doorgegeven aan de visuele cortex. Daar zetten de hersenen deze impulsen om in herkenbare vormen en beelden, ook wel bekend als visie.
De neuronen in de visuele cortex kunnen namelijk ook worden gestimuleerd door contact met minuscule elektroden. “We weten uit eerder onderzoek dat we lichtflitsen kunnen produceren die op ongeveer dezelfde plaats verschijnen telkens wanneer datzelfde gebied van de visuele cortex wordt gestimuleerd,” zegt Lowery. “Als we een aantal van deze flitsen min of meer gelijktijdig kunnen opwekken, kunnen we een rudimentair raster van licht en donker creëren dat de hersenen als een beeld kunnen interpreteren.” Stel je voor dat een vierkant van zestien gloeilampen de letter O creëert door de twaalf omtreklampen aan te zetten en de vier middelste lampen uit te laten. Of een letter L door braillepuntjes 1, 2 en 3, waarbij de rest van de cel leeg wordt gelaten.
Het team van Gennaris hoopt zo’n raster te kunnen maken met piepkleine keramische tegeltjes die rechtstreeks op de visuele cortex van een proefpersoon worden aangebracht. “Elke tegel is ongeveer 9 millimeter in het vierkant – ongeveer een derde van een inch – met drieënveertig werkende elektroden op elke tegel,” legt Lowery uit. “Deze elektroden dringen 1,5 tot 2 millimeter door in de visuele cortex en bereiken zo de zogenaamde vierde laag, het hersengebied dat het meest direct door de oogzenuw wordt gestimuleerd.
Een kleine videocamera zendt real-time beelden naar een zakformaat verwerkingseenheid. Daar bepalen speciale algoritmen de meest essentiële aspecten van elk beeld en splitsen deze op in een doorlopende reeks rasters van licht en donker. De rasters worden draadloos doorgestuurd naar een magnetische inductiespoel die tegen de achterkant van het hoofd van de patiënt wordt geplaatst, het dichtst bij de visuele cortex. De inductiespoel kan op afstand een kleine lading in elk van de elektroden spuiten, die vervolgens de visuele cortex stimuleert op dezelfde manier als de oogzenuw normaal zou doen.
“We zullen eigenlijk een voordeel hebben ten opzichte van geïmplanteerde netvliesprotheses,” zegt Lowery. “Ons scherpste zicht vindt plaats in een klein deel van het netvlies dat rijk is aan staafjes en kegeltjes en dat bekend staat als de fovea. De fovea is slechts ongeveer een vierkante millimeter groot, dus intraoculaire protheses moeten ook gebruik maken van netvliesweefsel dat meer geassocieerd wordt met perifeer zicht. Het hersengebied dat daadwerkelijk centraal zicht verwerkt, is echter vijfentwintig keer groter dan het netvliesweefsel dat het bedient, waardoor we potentieel vijfentwintig keer de resolutie van een netvliesimplantaat hebben.”
Lowery en zijn team hopen eind 2016 met hun eerste klinische proeven te beginnen. “We zijn van plan om te beginnen met vier tegels, maar uiteindelijk hopen we dat aantal te verhogen tot elf,” stelt hij. “We hopen ook de overdrachtssnelheid van tien beelden per seconde te bereiken.” Volgens Lowery kan de resolutie mogelijk ook vele malen worden verbeterd door de elektroden te coaten met speciale hormonen die brain-derived neurotropic factors worden genoemd. “In plaats van de hersenneuronen te prikken met elektroden, zouden deze chemicaliën de neuronen juist aanmoedigen om uit te reiken en contact te maken en nieuwe verbindingen te maken, alsof de elektroden andere hersencellen zijn.”
Ook volgens Lowery zijn realistische weergaven van de wereld om ons heen niet de alfa en omega van het potentieel van Gennaris. “We hebben al gezichtsherkenning die goed werk levert bij het identificeren van mensen. Stel je een speciaal pictogram voor dat je man of vrouw vertegenwoordigt, of andere pictogrammen voor elk van je kinderen, met emotionele inhoud, glimlachen, tranen, enzovoort. Richtings- en afstandsaanduidingen voor deuren, liften en ramen zouden ook mogelijk zijn. We zouden zelfs runway-light-achtige geleidingssystemen kunnen genereren om te helpen navigeren door een wirwar van onbekende gangen, waarbij onderweg op obstakels wordt gewezen.”
Op dit artikel reageren.
- eSight Eyewear and Smart Glasses from Assisted Vision door Bill Holton
- Help Me See: The Organization Dedicated to Elimating Cataract Blindness Globally door Bill Holton
Meer van deze auteur:
- Four Emerging Vision-Enhancing Technologies door Bill Holton
- A Day in the Life: Technologie die een visueel gehandicapte de hele dag bijstaat door Bill Holton