Selektive Zellstimulation mit Retinaimplantaten

Mit einem Chip im Auge können blinde Menschen wieder sehen. Mit neuen Prototypen konnten einige Blinde sogar Buchstaben erkennen und zu Wörtern kombinieren. Die Buchstaben waren sehr groß und das Erkennen ist langsam, beschwerlich und fehleranfällig. Der Grund dafür liegt in verhältnismäßig wenigen, maximal 5000, Stimulationskontakten, die die verloren gegangene Sensorik von 100 Millionen Lichtrezeptoren in einem menschlichen Auge ersetzen sollen. Die derzeit erreichbare Bildauflösung ist leider noch schlechter als es der Abstand der stimulierenden Kontakte am implantierten Chip erwarten lässt. Diese Situation soll entscheidend verbessert werden und zwar durch eine Analyse der elektrisch erzeugten Signale in den Zellen der Netzhaut (Retina). Beim natürlichen Sehen wird ein Großteil der Informationsanalyse im neuronalen Zellverband der Netzhaut durchgeführt, die als ausgelagerter Gehirnteil funktioniert. Die vorverarbeiteten Signale der Photorezeptoren werden dabei mit einem Faktor 100 komprimiert und verlassen das Auge über 1 Million Fasern des Sehnerven, wo sie im visuellen Cortex weiterverarbeitet werden, um schließlich zu visuellen Wahrnehmungen zu führen. Die erste Verarbeitungsstufe erfolgt durch zwei Haupttypen der Bipolarzellen der Retina: ON Zellen reagieren stärker, wenn es im Zentrum ihrer Platzierung heller ist als in der Umgebung, OFF Zellen umgekehrt und damit wird eine Kontrastinformation des Bildes ermittelt. Wenn aber beide Typen durch einen aktiven Kontakt im Chip gleichmäßig stimuliert werden, geht zum Beispiel die Kontrastinformation verloren, die die Begrenzung eines Gegenstandes im Vergleich zum Hintergrund darstellt. Damit ist eine der grundlegenden Fragen verbunden: Kann man die elektrischen Signale, die das Elektrodenfeld des Chips abgibt so wählen, dass man ON und OFF Zellen selektiv aktiviert? Diese und ähnliche Fragen sollen durch eine biophysikalische Modellanalyse beantwortet werden. Dabei wird zuerst für einen bestimmten Typ von Elektroden eines Retinaimplantates das elektrische Feld in der Umgebung einer ausgewählten Zelle der Netzhaut berechnet. In einem zweiten Schritt wird die Antwort dieser Zelle bestimmt. Geometrische Daten der Zellstruktur und elektrische Eigenschaften der Zellmembran werden in einem Computermodell der Zelle benützt, um ihr Verhalten für veränderte Elektrodenkonfigurationen und Stimulusintensitäten systematisch zu analysieren. Der internationale Kooperationspartner der Harvard Medical School wird während des gesamten Projektes Experimente durchführen welche das Antwortverhalten retinaler Nervenzellen während Elektrostimulation untersuchen. Neben den Aussagen zur selektiven Zellstimulation durch extrazelluläre Anregung haben die zu erwartenden Computermodelle auch für den normalen physiologischen Verarbeitungsvorgang im Auge großen wissenschaftlichen Neuwert.

Mit einem Chip im Auge können blinde Menschen wieder sehen. Mit neuen Prototypen konnten einige Blinde sogar Buchstaben erkennen und zu Wörtern kombinieren. Die Buchstaben waren sehr groß und das Erkennen ist langsam, beschwerlich und fehleranfällig. Der Grund dafür liegt in verhältnismäßig wenigen, derzeit maximal 1500 Stimulationskontakten, die die verloren gegangene Sensorik von 100 Millionen Lichtrezeptoren in einem menschlichen Auge ersetzen sollen. Die damit erreichbare Bildauflösung ist aber leider noch schlechter als es der Abstand der stimulierenden Kontakte am implantierten Chip erwarten lässt. Diese Situation soll entscheidend verbessert werden und zwar durch eine Analyse der elektrisch erzeugten Signale in den Zellen der Netzhaut (Retina). Beim natürlichen Sehen wird ein Großteil der Informationsanalyse im neuronalen Zellverband der Netzhaut durchgeführt, die als ausgelagerter Gehirnteil funktioniert. Die vorverarbeiteten Signale der Photorezeptoren werden dabei mit einem Faktor 100 komprimiert und verlassen das Auge über 1 Million Fasern des Sehnerven, wo sie im visuellen Cortex weiterverarbeitet werden, um schließlich zu visuellen Wahrnehmungen zu führen. In den Fasern des Sehnervs können Nervenimpulse direkt durch nahe liegende Elektroden erzeugt werden. Dabei kommen aber falsche Wahrnehmungen zustande, wenn Fasern von einer fernen Bildregionen mitaktiviert werden, weil ihr Weg an einem zu aktivierenden Bereich vorbeiführt. Vereinfacht gesagt will man nur diese Zellen stimulieren, deren Zellkörper in der Nähe der aktiven Elektrode liegt. Eine Analyse von Computersimulationen ergab einen relativ kleinen Intensitätsbereich indem tatsächlich keine vorbeiziehenden Nervenfasern von fremden Regionen mitstimuliert werden. Es gibt verschieden Möglichkeiten den Chip mit den elektrischen Kontakten zu platzieren, nämlich vor oder hinter der Netzhaut. Während das erste Verfahren auf die eben besprochene Erzeugung von Nervensignalen direkt in den Fasern des Sehnervs abzielt, werden beim subretinalen Implantat Interneurone, also Nervenzellen in der Netzhaut die die Vorverarbeitung der visuellen Wahrnehmung durchführen angesprochen. Diese Methode entspricht besser dem natürlichen Sehen und nützt auch noch die optischen Eigenschaften des Auges. Dabei werden die synaptischen Vorgänge in der Netzhaut beeinflusst, wobei Ströme von Calciumionen als Folge der vom Chip erzeugten elektrischen Felder die Schlüsselrolle der visuellen Wahrnehmung sind. Ein neu entdeckter physikalischer Effekt, nämlich die Stromumkehr von Natriumionen der bei stärkeren Stimuli künstliche Nervensignale im Zellkörper verhindert wurde im Projekt auf die Calciumionen übertragen. Damit zeigt sich auch für die synaptische Übertragung ein oberer Grenzwert für die Anwendung.