Pawan Sinha erklärt, wie das Gehirn sehen lernt

Als blindes Kind in Indien muss man sich mit großer Wahrscheinlichkeit mit mindestens zwei schlechten Nachrichten abfinden. Die erste ist, dass es so gut wie keine Aussichten auf eine Behandlung gibt, denn die meisten Programme zur Minderung der Blindheit im Land konzentrieren sich auf Erwachsene. Es gibt nur sehr wenige Krankenhäuser, die überhaupt für die Behandlung von Kindern ausgestatten sind. Und wenn man behandelt wird, kann es sogar sein, dass die behandelnde Person keinerlei medizinischen Referenzen besitzt, so wie in diesem Fall von Rajasthan. Das ist ein drei Jahre altes Weisenkind, das von Katarakten betroffen war. Deshalb brachten ihre Pfleger sie zum Medizinmann des Dorfes. Anstatt den Pflegern vorzuschlagen, das Mädchen in ein Krankenhaus zu bringen, brandmarkte diese Person den Bauch des Mädchens mit glühendheißen Eisenstangen um die bösen Geister auszutreiben. Die zweite schlechte Nachricht wird von Neurowissenschaftlern überbracht, die einem sagen, dass wenn man älter als vier oder fünf Jahre ist, die Chance, dass das Gehirn Sehen lernt, selbst nach einer Augenkorrektur sehr sehr gering ist. Wiederum, so gut wie nicht vorhanden.

Als ich von diesen zwei Dingen erfuhr, bekümmerte mich das sehr, sowohl aus persönlichen Gründen als auch aus wissenschaftlichen Gründen. Lassen Sie mich mit den persönlichen Gründen beginnen. Es mag kitschig klingen, aber es ist ehrlich. Das ist mein Sohn Darius. Als frischgebackener Vater habe ich eine ganz andere Wahrnehmung davon, wie empfindlich Babys sind, was unsere Pflichten ihnen gegenüber sind, und wie viel Liebe wir für ein Kind empfinden können. Ich würde Himmel und Erde in Bewegung setzen, um Darius eine Behandlung zukommen zu lassen. Und zu erfahren, dass es andere Dariuses geben könnte, die keine Behandlung erhalten, fühlt sich für mich grundlegen falsch an. Das ist also mein persönlicher Grund.

Der wissenschaftliche Grund ist, dass ich der neurowissenschaftlichen Vorstellung von den kritischen Phasen nicht zustimme, dass, wenn das Gehirn älter als vier oder fünf Jahre ist, es die Fähigkeit zu lernen verliert. Ich glaube, dass diese Annahme nicht adequat getestet wurde. Sie basiert auf der Arbeit von David Hubel und Torsten Wiesel, zwei Forschern an der Harvard Universität, die 1981 den Nobelpreis für ihre Forschung in visueller Physiologie erhielten. Es sind bemerkenswert schöne Studien, aber ich glaube, dass Teile dieser Arbeit vorzeitig auf den Menschen abgeleitet wurden. Die beiden arbeiteten mit kleinen Katzen und verschiedenen Arten der Deprivation, und diese Studien aus den sechziger Jahren werden nun auf Menschenkinder übertragen.

Deshalb meinte ich zwei Dinge tun zu müssen. Erstens: jenen Kindern eine Behandlung zukommen zu lassen, denen sie momentan vorenthalten wird. Das ist die humanitäre Mission. Und die wissenschaftliche Mission wäre, die Grenzen visueller Plastizität auszutesten. Diese zwei Missionen passen, wie man sieht, perfekt zusammen, eine ergänzt die andere. Tatsächlich wären sie ohne einander nicht möglich. Um diese Zwillingsmission zu implementieren, gründete ich vor einigen Jahren das Projekt Prakash. Prakash, wie viele von Ihnen wissen, ist Sanskrit für alle Arten von Licht. Die Idee dahinter ist, dass, indem wir Licht in das Leben von Kindern bringen, wir auch eine Chance haben, Licht in das Dunkel einiger der Geheimnisse der Neurowissenschaften zu bringen. Das Logo, obwohl es sehr irisch aussieht, ist abgeleitet von dem indischen Symbol Diya, einer tönernen Lampe. Projekt Prakash, die Gesamtbewegung, besteht aus drei Komponenten: Initiativen, um Kinder, die Hilfe benötigen, zu identifizieren, medizinische Versorgung und anschließende Studien. Ich möchte Ihnen ein kurzes Video zeigen, dass die ersten beiden Komponenten unserer Arbeit illustriert.

Das ist eine Gesundheisstation an einer Blindenschule.

(Text: Die Mehrzahl der Kinder sind hochgradig und permanent erblindet...)

Pawan Sinha: Da dies eine Blindenschule ist, haben viele Kinder hier permanente Leiden. Das ist ein Fall von Mikrophthalmus, das sind missgeformte Augen, ein permanentes Leiden. Dafür gibt es keine Behandlung. Das ist ein Extremfall von Mikrophthalmus, Enophthalmus genannt. Aber immer wieder finden wir Kinder, die noch ein Restsehvermögen haben, und das ist ein sehr gutes Zeichen dafür, dass man dieses Leiden vielleicht doch behandeln kann. Nach der Untersuchung bringen wir die Kinder ins Krankenhaus. Das ist das Krankenhaus, mit dem wir in Delhi zusammenarbeiten, das Dr. Schroff Charity Eye Hospital. Es hat ein sehr gut ausgestattetes pediatrisches Augenzentrum, das teilweise von der Ronald McDonald Stiftung mitfinanziert wurde. Burger Essen hilft also tatsächlich.

(Text: Diese Untersuchungen ermöglichen es uns, die Augengesundheit vieler Kinder zu verbessern und... ... Kinder zu finden, die an Projekt Prakash teilnehmen können.)

PS: Wenn ich die Augen dieses Kindes heranzoome, werden Sie die Ursache seiner Erblindung erkennen. Die weißen Verfärbungen in der Mitte seiner Pupillen sind angeborene Katarakte, also Linsentrübungen. In unseren Augen sind die Linsen klar, aber die Linsen dieses Kindes sind undurchsichtig geworden, und deshalb kann es die Welt nicht sehen. Das Kind wurde behandelt. Sie werden Aufnahmen des Auges sehen. Hier ist das Auge mit der getrübten Linse, die getrübte Linse wird entfernt und eine Acryllinse eingesetzt. Und hier ist dasselbe Kind drei Wochen nach der Operation, das rechte Auge geöffnet.

(Applaus)

Danke.

Selbst dieses kurze Video vermittelt schon den Eindruck, dass Heilung möglich ist. Mitlerweile haben wir über 200 Kinder behandelt, und die Geschichte wiederholt sich. Nach der Behandlung gewinnt das Kind maßgeblich an Funktionalität. In der Tat bewahrheitet sich die Geschichte sogar bei Personen, die ihr Augenlicht nach etlichen Jahren der Entbehrung gewinnen. Vor einigen Jahren veröffentlichten wir einen Artikel über die Frau, die Sie hier rechts sehen, SRD. Sie gewann ihr Augenlicht erst spät in ihrem Leben und ihre Sehfähigkeit ist bemerkenswert für ihr Alter. Ich muss einen tragischen Nachtrag machen. Vor zwei Jahren starb sie bei einem Busunfall. Aber ihre Geschichte ist wirklich inspirierend, unbekannt aber inspirierend. Als wir zu diesen Ergebnissen kamen, verursachte das, wie Sie sich vorstellen können, einige Aufregung in der wissenschaftlichen und der Boulevardpresse. Hier ist ein Artikel in Nature, der unsere Arbeit erläuterte, und ein anderer in Time. Wir waren also ziemlich überzeugt, wir sind überzeugt, dass Heilung möglich ist, trotz langer visueller Entbehrung.

Die nächste naheliegende Frage ist: Wie sieht der Heilungsprozess aus? Wir untersuchen das auf folgende Weise, sagen wir, wir finden ein Kind mit Lichtsensibilität. Das Kind wird behandelt, und ich möchte betonen, dass die Behandlung an keinerlei Bedingungen geknüpft ist. Es wird keine Gegenleistung erwartet. Die Anzahl der Kinder, die wir behandeln, ist viel größer als die, mit der wir arbeiten. Jedes Kind, das Behandlung benötigt, bekommt sie. Nach der Behandlung lassen wir das Kind wöchentlich eine Reihe von einfachen Sehtests machen, um zu sehen, wie sich sein Sehvermögen anpasst. Das versuchen wir so lange wie möglich zu machen. Dieser Entwicklungsbogen bietet uns noch nie dagewesene und besonders wertvolle Informationen darüber, wie sich das Gerüst der Sehfähigkeit aufbaut. Welches könnten die Kausalzusammenhänge zwischen den sich früh entwickelnden Fähigkeiten und den sich später entwickelnden sein?

Diese allgemeine Vorgehensweise haben wir genutzt, um viele verschiedene visuelle Fähigkeiten zu untersuchen, aber ich möchte eine bestimmte hervorheben, und zwar Bilder in Objekte zu zergliedern. Jedes Bild der Art, wie Sie es links sehen, ob reales Bild oder synthetisches Bild, ist zusammengesetzt aus kleinen Bereichen, die Sie in der mittleren Spalte sehen, verschiedenen Farbbereichen, verschiedenen Helligkeiten. Das Gehirn hat die komplexe Aufgabe, Untergruppen dieser Bereiche zu etwas bedeutungsvollerem zusammenzusetzen, zu integrieren, zu etwas, dass wir als Objekte bezeichnen würden, so wie Sie es rechts sehen. Niemand weiß, wie diese Integration funktioniert. Das ist die Frage, der wir mit Projekt Prakash nachgegangen sind.

Das ist, was kurz nach dem Einsetzen der Sehfähigkeit geschieht. Das ist jemand, der vor ein paar Wochen seine Sehfähigkeit erlangt hat, und Sie sehen, wie Ethan Myers, ein Student des MIT, das Experiment mit ihm durchführt. Seine Hand-Augen-Koordination ist relativ schlecht, aber Sie bekommen einen allgemeinen Eindruck von den Bereichen, die er versucht nachzuziehen. Wenn man ihm Bilder der realen Welt zeigt, wenn man anderen wie ihm Bilder der realen Welt zeigt, können sie die meisten Objekte nicht erkennen, denn die Welt ist für sie überfragmentiert, sie besteht aus einer Collage, einem Flickwerk aus Bereichen verschiedener Farben und Helligkeiten. Das wird durch die grünen Linien verdeutlicht. Wenn man sie bittet, auf die Objekte zu zeigen, selbst wenn sie sie nicht benennen können, sind dies die Bereiche, auf die sie zeigen. Die Welt ist dieses komplexe Flickwerk von Bereichen. Selbst der Schatten auf dem Ball wird zu einem eigenen Objekt. Interessanterweise passiert nach einigen Monaten das Folgende.

Doktor: Wie viele sind das?

Patient: Das sind zwei Dinge.

Doktor: Was sind ihre Formen?

Patient: Ihre Formen... Das ist ein Kreis, und das ist ein Quadrat.

PS: Eine sehr dramatische Veränderung ist zum Vorschein gekommen. Die Frage ist: was führte zu dieser Veränderung? Es ist eine grundlegende Frage, und was noch erstaunlicher ist, ist wie simpel die Antwort ist. Die Antwort liegt in Bewegung. Das möchte ich Ihnen im nächsten Video zeigen.

Doktor: Welche Form sehen Sie hier?

Patient: Ich kann es nicht erkennen.

Doktor: Jetzt?

Patient: Dreieck.

Doktor: Wie viele Dinge sind das? Jetzt, wie viele Dinge sind das?

Patient: Zwei.

Doktor: Was sind das für Dinge?

Patient: Ein Quadrat und ein Kreis.

PS: Wir sehen dieses Muster immer wieder. Was das visuelle System braucht, um die Welt in ihre Einzelteile zu zergliedern, sind dynamische Informationen. Der Schluss, den wir daraus und aus weiteren ähnlichen Experimenten ziehen, ist dass die Verarbeitung dynamischer Informationen, oder auch Bewegungsverarbeitung, die Grundlage für die Ausbildung der übrigen komplexen visuellen Verarbeitungsprozesse darstellt. Sie führt zu visueller Integration und schließlich zum Erkennen.

Diese einfache Vorstellung hat weitreichende Folgen. Lassen Sie mich nur kurz zwei nennen. Eine aus dem Bereich der Technik und eine aus der Klinik. Aus der Sicht der Technik können wir fragen, angesichts der Tatsache, dass Bewegung so wichtig für das menschliche visuelle System ist, können wir das als ein Rezept nutzen, um maschinelle Sehsysteme zu bauen, die eigenständig lernen können, ohne von einem Menschen programmiert werden zu müssen. Das versuchen wir zu erreichen.

Ich bin am MIT. Am MIT soll man jegliche Kenntnisse, die man erlangt, praktisch anwenden. Wir erstellen also Dylan, ein Computersystem mit dem ehrgeizigen Ziel, visuelle Daten der gleichen Art, wie sie menschliche Kinder empfangen, aufzunehmen und selbständig festzustellen, welches die Objekte in diesen visuellen Daten sind. Kümmern Sie sich nicht um Dylans interne Details. Ich möchte hier nur darüber sprechen, wie wir Dylan testen. Wir testen Dylan, indem wir ihm Daten geben, wie gesagt, derselben Art, wie sie ein Baby oder ein Kind in Projekt Prakash bekäme. Lange Zeit konnten wir nicht ganz verstehen, wie wir Videodaten dieser Art sammeln konnten. Dann hatte ich die Idee, dass wir Darius als unseren Babycamträger nutzen könnten, um die Daten zu sammeln, die wir in Dylan eingeben. Und das haben wir getan. (Gelächter) Ich musste lange mit meiner Frau diskutieren. (Gelächter) Pam, wenn du jetzt zusiehst, bitte, vergib mir.

Wir modifizierten die Optik der Kamera, um die Sehschärfe eines Babys nachzuahmen. Wie einige von Ihnen wissen dürften, kommen Babys nahezu blind auf die Welt. Ihre Sehschärfe – unsere ist 20/20 – die Sehschärfe von Babys liegt um 20/800, daher sehen sie die Welt sehr verschwommen. So sieht ein Babycam-Video aus.

(Gelächter) (Applaus)

Zum Glück ist da kein Ton drauf. Was erstaunlich ist, ist dass, trotz stark verminderten Daten, das Baby sehr schnell Sinn aus diesen Daten machen kann. Nach zwei oder drei Tagen fangen Babys an, den Gesichtern ihrer Eltern Aufmerksamkeit zu schenken. Wie geschieht das? Wir wollen, dass Dylan das kann. Indem er das Mantra der Bewegung nutzt, kann Dylan das wirklich tun, selbst angesichts dieser Art der Videodaten von nur ungefähr sechs bis sieben Minuten Länge, kann Dylan anfangen, Muster zu extrahieren, einschließlich Gesichter. Das ist ein wichtiger Beweis der Macht der Bewegung.

Die klinischen Folgerungen kommen aus dem Bereich des Autismus. Optische Integration wurde von verschiedenen Forschern mit Autismus in Verbindung gebracht. Als wir das sahen, fragten wir: Könnte die Beeinträchtigung der optischen Integration die Manifestation von etwas Tieferliegendem sein, von einem Defizit dynamischer Informationsverarbeitung bei Autismus? Denn, falls diese Hypothese wahr wäre, hätte sie massive Auswirkungen auf unser Verständnis der Ursachen für verschiedene Aspekte des Autismus Phänotyps.

Was Sie sehen werden, sind Videos von zwei Kindern, die Pong spielen, eines neurotypisch, eines mit Autismus. Während die Kinder Pong spielen, verfolgen wir ihre Augenbewegungen. Die Augenbewegungen sind hier in Rot zu sehen. Das ist das neurotypische Kind und, wie Sie sehen, kann das Kind Anhaltspunkte aus der dynamischen Information ableiten, um die Bewegungsrichtung des Balls vorherzusagen. Schon bevor der Ball zu einem Ort gelangt, sieht das Kind dorthin. Vergleichen Sie das mit einem Kind mit Autismus, das das gleiche Spiel spielt. Anstatt sie vorherzusagen, folgt das Kind der Bewegung des Balls nach. Die Effizienz in der Verarbeitung dynamischer Informationen scheint bei Autismus erheblich beeinträchtigt zu sein. Wir verfolgen diese Forschungsrichtung und haben hoffentlich bald mehr Ergebnisse zu berichten.

Vorausschauend, wenn man diesen Kreis als repräsentativ für all die Kinder betrachtet, die wir bisher behandelt haben, ist dies das Ausmaß des Problems. Die roten Punkte stellen Kinder dar, die wir nicht behandelt haben. Es gibt also noch viel mehr Kinder, die Hilfe benötigen. Um die Bandbreite des Projekts zu erweitern, planen wir die Eröffnung des Prakash Zentrum für Kinder, welches ein pediatrisches Krankenhaus, eine Schule für die Kinder, die wir behandeln, und eine hochmoderne Forschungseinrichtung haben wird. Das Prakash Zentrum wird Gesundheitsversorgung, Bildung und Forschung auf eine Weise integrieren, die ein Ganzes schafft, das wirklich größer als die Summe seiner Teile ist.

Zusammengefasst hat Prakash in den fünf Jahren seiner Existenz Auswirkungen auf viele verschiedene Bereiche gehabt, von den grundlegenden Neurowissenschaften, Plastizität und Lernen im Gehirn, bis hin zu klinisch relevanten Hypothesen wie für Autismus, der Entwicklung selbständiger maschineller Sehsysteme, Bildung für Studenten im Grund- und Hauptstudium, und am allerwichtigsten der Linderung von Blindheit im Kindesalter. Für meine Studenten und mich war es eine unglaubliche Erfahrung, denn wir konnten interessante Forschungsprojekte durchführen und gleichzeitig vielen Kindern, mit denen wir gearbeitet haben, helfen.

Vielen Dank.

(Applaus)