In der September-Ausgabe 2013 von AccessWorld haben wir vier bahnbrechende Fortschritte bei der Verbesserung des Sehvermögens beschrieben, darunter das implantierbare Miniaturteleskop von VisionCare Ophthalmic Technologies und die Argus II Netzhautprothese von Second Sight. Bei der ersten handelt es sich um eine erbsengroße Teleskoplinse, die das nutzbare Sehvermögen von Personen erhöht, die ihr zentrales Sehvermögen aufgrund einer altersbedingten Makuladegeneration im Endstadium verloren haben. Die Argus II richtet sich an Menschen mit Retinitis pigmentosa (RP) im Spätstadium. Der Argus II nutzt ein drahtloses Signal, um den Sehnerv direkt über ein implantiertes Elektrodenfeld zu stimulieren und so die durch RP geschädigten Stäbchen und Zapfen zu umgehen.
So bemerkenswert diese Lösungen auch sein mögen, einen Stolperstein haben sie gemeinsam: Sie setzen jeweils voraus, dass der Empfänger einen funktionierenden Sehnerv besitzt, der die visuellen Signale adäquat an das Gehirn zur Verarbeitung weiterleiten kann. Was aber, wenn der Sehnerv durch ein Glaukom, Multiple Sklerose oder ein Trauma geschädigt wurde? Könnte es einen Weg geben, diese komplexen und empfindlichen Nervenfasern zu reparieren? Oder noch besser, sie ganz zu umgehen?
In diesem Artikel beschreiben wir zwei aktuelle Forschungsdurchbrüche – einen, der das Potenzial zeigt, geschädigte Sehnerven zu regenerieren, und den zweiten, ein System namens Gennaris, das möglicherweise Sehkraft ohne den Sehnerv oder sogar das Auge selbst erzeugt.
Regenerierung eines Sehnervs
Der Sehnerv ist einer der wichtigsten Nerven im Körper, der zweitwichtigste nach dem Rückenmark (das Rückenmark umfasst Tausende von Nervensträngen, während der Sehnerv nur einen hat). Als Zhigang He, Professor für Neurologie am Boston Children’s Hospital F.M. Kirby Neurobiology Center, vor fünfzehn Jahren ein Labor einrichtete, um Wege zur Regeneration von Nervenfasern bei Menschen mit Rückenmarksverletzungen zu erforschen, beschloss er, dass es am besten wäre, stellvertretend die Nervenregeneration in beschädigten Sehnerven zu versuchen.
Andere haben die Regeneration oder Reparatur von Sehnerven versucht. Bei den ersten Versuchen wurden Teile des Ischiasnervs gespleißt, um beschädigte Sehnerven zu ersetzen. Die meisten Axone wuchsen nicht nach. Vor etwa acht Jahren versuchte Dr. He’s Gruppe, durch Gen-Exzision tumorunterdrückende Gene zu löschen oder zu blockieren. Dies führte zwar zu einer gewissen Regeneration des Sehnervs, aber es erhöhte auch das Krebsrisiko. In ihrer jüngsten Arbeit mit Dr. Joshua Sanes in Harvard fanden sie eine Gentherapie-Strategie zur Verstärkung der Wachstumsfaktor-Aktivitäten, die die Regenerationseffekte, die durch die Deletion von Tumorsuppressoren ausgelöst werden, nachahmen könnte. Dennoch war die Anzahl der regenerierten Axone durch diese Ansätze begrenzt.
Er und seine Co-Forscherin, die Assistenzprofessorin für Neurologie am Boston Children’s Hospital, Michela Fagiolini, gingen in der Gentherapie einen Schritt weiter. Sie verwendeten ein Gentherapie-Virus namens AAV, um drei Faktoren zur Steigerung der Wachstumsfaktor-Reaktionen in die Netzhaut zu bringen, die Teil des Sehnervensystems ist.
„Mit der Zeit konnten wir immer längere Nervenfasern in Mäusen mit geschädigten Sehnerven regenerieren“, berichtet er. „Leider übertrugen die neuen Nervenfasern keine Impulse, so genannte Aktionspotentiale, den ganzen Weg vom Auge zum Gehirn, so dass es kein neues Sehvermögen gab.“
Er und Fagiolini führten das Problem darauf zurück, dass die neuen Nervenfasern ohne die fetthaltige Hülle namens Myelin wuchsen. Myelin isoliert die Nervenfasern und hält die Nervensignale in der Spur, so wie die Isolierung eines Kupferdrahtes den elektrischen Strom zur Lampe leitet, statt in die Wandstifte und Steckdosen.
Wenn man sich der medizinischen Literatur zuwendet, lesen er und Fagiolini über einen Kaliumkanalblocker namens 4-Aminopyridin (4-AP), von dem bekannt ist, dass er die Nachrichtenleitung in Nervenfasern verbessert, denen es an ausreichend Myelin fehlt. Tatsächlich wird 4-AP als AMPYRA vermarktet, um MS-bedingte Gehschwierigkeiten zu behandeln, die ebenfalls mit einem Verlust von Myelin einhergehen.
„Als wir 4-TP verabreichten, konnten die Signale über die Distanz gehen“, sagt Fagiolini. In einem separaten Labor, in dem sie nicht wussten, welche der blinden Mäuse behandelt worden waren, bestätigte sich, dass die behandelten Mäuse auf sich bewegende Lichtbalken reagierten, während die Kontrollgruppe dies nicht tat.
„Es gibt noch viel Arbeit zu tun, bevor diese Behandlung für Versuche am Menschen bereit ist“, sagt er. Zum Beispiel verwendete das Team einen Gentherapie-Virus, um die Wachstumsfaktoren zu verabreichen, die die Regeneration des Sehnervs anregten, aber er und Fagiolini glauben, dass sie einen injizierbaren „Cocktail“ von Wachstumsfaktor-Proteinen herstellen können, der ebenso wirksam sein könnte. „Wir versuchen, die Mechanismen besser zu verstehen und herauszufinden, wie oft die Proteine injiziert werden müssten“, sagt He.
Auch die möglichen Nebenwirkungen der Verwendung von 4-AP zur Erhöhung der Sehnerven-Signalübertragung sind noch nicht geklärt. Deshalb haben He und Fagiolini begonnen, nicht von der FDA zugelassene 4-AP-Derivate zu testen, die für den Langzeitgebrauch sicherer wären. Trotz der verbleibenden Hürden bleiben He und Fagiolini optimistisch. „Zumindest haben wir jetzt ein Paradigma, mit dem wir vorankommen können“, sagt He.
Das Auge des Geistes
Die Regeneration des Sehnervs könnte Millionen von Menschen helfen, aber was wäre, wenn wir den Sehnerv ganz umgehen und ohne ihn sehen könnten, oder sogar ohne physische Augen? Das ist das Ziel von Arthur Lowery, Professor für Elektro- und Computersystemtechnik an der australischen Monash University. Lowery und sein Team arbeiten derzeit an Gennaris, einem System, das den visuellen Kortex des Gehirns direkt stimuliert und ein Gitter aus elektrischen Impulsen sendet, die das Gehirn als erkennbare Muster aus Hell und Dunkel interpretieren kann.
Die Forschung zum „Gehirn“-Sehen geht bis in die 1960er Jahre zurück. „Damals brauchte man einen ganzen Raum voller Geräte, um überhaupt Ergebnisse zu erhalten“, bemerkt Lowery. „Noch vor zehn oder fünfzehn Jahren bedeutete die Erzeugung eines Rasters aus dreihundert Lichtpunkten, dass man ein Bündel von 300 separaten Drähten vom Gehirn zu einer großen, externen Videokamera führen musste.“ Lowery und sein Team bauen auf dieser früheren Arbeit auf und nutzen die beträchtlichen Fortschritte, die in den letzten zehn Jahren bei der Rechenleistung, der Miniaturisierung von Komponenten, der drahtlosen Datenübertragung und der induktiven Energieübertragung gemacht wurden, wie sie jetzt bei einigen Mobiltelefonen zu finden sind, die auf das Ladegerät gelegt werden können, anstatt eingesteckt werden zu müssen.
Beim normalen Sehen dringt Licht durch die Pupille und die Linse des Auges und stimuliert Stäbchen und Zapfen, die die lichtempfindlichen Zellen auf der Netzhaut bilden. Diese photochemischen Signale werden in Nervenimpulse umgewandelt, die wiederum entlang des Sehnervs an den visuellen Kortex weitergeleitet werden. Dort macht das Gehirn aus diesen Impulsen erkennbare Formen und Bilder, das sogenannte Sehen.
Die Neuronen in der Sehrinde können übrigens auch durch Kontakt mit winzigen Elektroden stimuliert werden. „Wir wissen aus früheren Forschungen, dass wir Lichtblitze erzeugen können, die immer an der gleichen Stelle erscheinen, wenn dieselbe Region des visuellen Kortex stimuliert wird“, so Lowery. „Wenn wir eine Reihe dieser Blitze mehr oder weniger gleichzeitig erzeugen können, können wir ein rudimentäres Raster aus Hell und Dunkel erzeugen, das das Gehirn als Bild interpretieren könnte.“ Stellen Sie sich ein Quadrat aus sechzehn Glühbirnen vor, das den Buchstaben O erzeugt, indem man die zwölf Glühbirnen am Rand einschaltet und die vier Lichter in der Mitte ausgeschaltet lässt. Oder ein Buchstabe L, der durch die Braille-Punkte 1, 2 und 3 erzeugt wird, während der Rest der Zelle leer bleibt.
Das Team von Gennaris hofft, ein solches Raster mit Hilfe von winzigen Keramikkacheln zu erzeugen, die direkt in den visuellen Kortex einer Testperson eingelassen werden. „Jedes Plättchen ist etwa 9 Millimeter im Quadrat – etwa ein Drittel eines Zolls – mit dreiundvierzig Arbeitselektroden auf jedem Plättchen“, erklärt Lowery. „Diese Elektroden dringen 1,5 bis 2 Millimeter in den visuellen Kortex ein und erreichen die so genannte vierte Schicht, die Hirnregion, die am direktesten durch den Sehnerv stimuliert wird.“
Eine kleine Videokamera überträgt die Bilder in Echtzeit an eine Verarbeitungseinheit im Taschenformat. Dort ermitteln spezielle Algorithmen die wichtigsten Aspekte jedes Bildes und zerlegen sie in eine laufende Serie von Hell-Dunkel-Rastern. Die Raster werden drahtlos an eine magnetische Induktionsspule übertragen, die am Hinterkopf des Patienten in der Nähe des visuellen Kortex angebracht wird. Die Induktionsspule wird in der Lage sein, aus der Ferne eine winzige Ladung in jeder der Elektroden zu erzeugen, die dann den visuellen Kortex auf die gleiche Weise stimulieren wird, wie es der Sehnerv normalerweise tun würde.
„Wir werden tatsächlich einen Vorteil gegenüber implantierten Netzhautprothesen haben“, sagt Lowery. „Der Großteil unseres schärfsten Sehens findet in einem winzigen Teil der Netzhaut statt, der reich an Stäbchen und Zapfen ist, der sogenannten Fovea. Die Fovea ist nur etwa einen Quadratmillimeter groß, so dass intraokulare Prothesen auch Netzhautgewebe nutzen müssen, das eher dem peripheren Sehen zugeordnet ist. Das Hirnareal, das eigentlich das zentrale Sehen verarbeitet, ist jedoch fünfundzwanzigmal größer als das Netzhautgewebe, das es versorgt, was uns potenziell die fünfundzwanzigfache Auflösung eines Netzhautimplantats ermöglicht.“
Lowery und sein Team hoffen, bis Ende 2016 die ersten klinischen Versuche starten zu können. „Wir planen, mit vier Kacheln zu beginnen, aber wir hoffen, diese Zahl irgendwann auf elf zu erhöhen“, erklärt er. „Wir hoffen auch, dass wir eine Übertragungsgeschwindigkeit von zehn Bildern pro Sekunde erreichen.“ Laut Lowery könnte die Auflösung auch um ein Vielfaches gesteigert werden, indem die Elektroden mit speziellen Hormonen beschichtet werden, den sogenannten brain-derived neurotropic factors. „Anstatt die Neuronen im Gehirn mit Elektroden zu pieksen, würden diese Chemikalien die Neuronen tatsächlich dazu ermutigen, die Hand auszustrecken und Kontakt und neue Verbindungen herzustellen, als wären die Elektroden andere Gehirnzellen.“
Auch laut Lowery sind realistische Darstellungen der Welt um uns herum nicht das A und O von Gennaris‘ Potenzial. „Wir haben bereits eine Gesichtserkennung, die einen großartigen Job bei der Identifizierung von Menschen macht. Stellen Sie sich ein spezielles Symbol für Ihren Mann oder Ihre Frau vor, andere für jedes Ihrer Kinder, die emotionale Inhalte, Lächeln, Tränen und ähnliches enthalten könnten. Auch Richtungs- und Abstandsmarkierungen für Türen, Aufzüge und Fenster wären möglich. Wir könnten sogar Laufsteg-Licht-ähnliche Leitsysteme generieren, die helfen, durch ein Gewirr von unbekannten Korridoren zu navigieren und auf Hindernisse auf dem Weg hinweisen.“
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