Sheila Nirenberg: Eine Augenprothese gegen Blindheit

Ich erforsche, wie das Hirn Informationen verarbeitet. Wie es Informationen von der Außenwelt aufnimmt, und sie in Muster elektrischer Aktivität umwandelt. Und dann, wie es diese Muster nutzt, um uns Dinge tun zu lassen – zu hören, zu sehen, nach einem Objekt zu greifen. Ich bin also Grundlagenwissenschaftlerin, keine Klinikärztin, aber über die vergangenen 1,5 Jahre habe ich umgesattelt, um das, was wir über diese Muster herausgefunden haben zu nutzen, um Prothesen zu entwickeln, und ich würde Ihnen heute gerne ein Beispiel dafür zeigen. Das ist unser erster Vorstoß in dieses Feld. Es handelt sich um die Entwicklung einer Prothese zur Behandlung von Erblindung.

Lassen Sie mich also mit dem Problem beginnen. Es gibt in den USA 10 Millionen Menschen, und weltweit weit mehr, die blind sind, oder erblindet sind aufgrund von Erkrankungen der Netzhaut, Krankheiten wie Makuladegeneration, und es gibt nicht viel, das man für sie tun kann. Es gibt einige medikamentöse Behandlungen, aber sie sind nur bei einem Bruchteil der Bevölkerung effektiv. Und so sind für die meisten Patienten die Prothesen die beste Hoffnung, ihr Augenlicht wiederzuerlangen. Das Problem ist, dass derzeitige Prothesen nicht sehr gut funktionieren. Sie sind noch immer sehr eingeschränkt im Bezug auf die Sicht, die sie bieten. So können Patienten mit diesen Geräten zwar einfache Dinge sehen, wie helles Licht und kontrastreiche Konturen, aber nicht viel mehr, also gab es bis jetzt nichts, das an das normale Sehen herankommt.

Wovon ich Ihnen also heute erzählen möchte, ist ein Gerät, an dem wir gearbeitet haben, von dem ich denke, es hat das Potential, einen Unterschied zu bewirken, viel effektiver zu sein, und ich wollte Ihnen zeigen, wie es funktioniert. Lassen Sie mich also zuerst zeigen, wie eine normale Netzhaut arbeitet, so dass Sie das Problem sehen, das wir zu lösen versuchen. Hier haben wir eine Netzhaut. Sie haben also ein Bild, eine Netzhaut, ein Gehirn. Wenn Sie also etwas ansehen, wie dieses Bild vom Gesicht dieses Babys, geht es in ihr Auge und trifft auf Ihre Netzhaut, auf die vorderen Zellen hier, die Fotorezeptoren. Was dann passiert, ist, dass der Schaltkreis der Netzhaut, der mittlere Teil, aktiv wird, und er nimmt Informationen auf und wandelt diese Informationen in einen Code um. Dieser Code ist in der Form dieser Muster elektrischer Impulse, die hoch ins Gehirn gesendet werden, und so ist das Wesentliche, dass das Bild schließlich in einen Code umgewandelt wird. Und wenn ich Code sage, meine ich buchstäblich Code. Diese Muster von Impulsen bedeuten also wirklich "Kindergesicht", und wenn das Gehirn also dieses Impulsmuster empfängt, weiß es, dass das da draußen ein Kindergesicht war, und wenn es ein anderes Muster empfinge, wüsste es, dass da draußen beispielsweise ein Hund war, oder ein anderes Muster wäre ein Haus. Wie auch immer, Sie können es sich vorstellen.

Und natürlich ist das alles in Wirklichkeit dynamisch, es verändert sich also ständig, also verändern sich die Impulsmuster ständig, weil sich die Welt, die Sie sich ansehen, auch die ganze Zeit verändert. Wissen Sie, es ist eine ziemlich komplizierte Sache. Sie haben diese Impulsmuster die aus Ihrem Auge kommen, millisekündlich, und sie sagen Ihrem Gehirn, was Sie sehen. Was passiert also, wenn jemand eine netzhautdegenerative Erkrankung wie Makuladegeneration erleidet? Was passiert ist, dass die Zellen der Vorderseite sterben, die Fotorezeptoren sterben, und im Laufe der Zeit sterben auch alle anderen Zellen und Kreisläufe, die mit ihnen verbunden sind. Bis alles, was Ihnen übrig bleibt, diese Zellen hier sind, die Ausgangszellen, jene, die die Signale an das Gehirn senden, aber wegen der starken Degeneration senden sie diese Signale nicht mehr. Sie bekommen keine Eingangssignale, also erhält das Gehirn des Betroffenen keine visuelle Information mehr – das bedeutet, er oder sie ist blind.

Eine Lösung für das Problem wäre dann ein Gerät zu entwickeln, dass das Verhalten der vorderseitigen Schaltungen imitiert und Signale an die Ausgangszellen der Netzhaut schickt, und diese können wieder an die Arbeit gehen, und ihre Signale an das Gehirn senden. Daran haben wir also gearbeitet, und unsere Prothese tut folgendes. Sie besteht aus zwei Teilen, die wir Encoder und Transducer nennen. Und der Encoder macht genau wonach er klingt: er imitiert die Aktionen der vorderseitigen Schaltungen - nimmt also Bilder und wandelt sie in den Code der Netzhaut um. Und der Transducer bringt dann die Ausgangszellen dazu, den Code an das Gehirn weiterzuleiten, und das Ergebnis ist eine Netzhautprothese, die einen normalen Netzhaut-Output produziert. Eine vollständig blinde Retina kann also, sogar ohne jegliche vorderseitige Schaltung, ohne Fotorezeptoren, jetzt normale Signale aussenden, Signale, die das Gehirn verstehen kann. Bisher war noch kein anderes Gerät hierzu imstande.

Okay, ich möchte gerne einen oder zwei Sätze sagen über den Encoder und was er tut, denn er ist das Schlüsselelement und er ist ziemlich interessant und cool. Ich bin nicht sicher, ob "cool" das richtige Wort ist aber Sie verstehen schon. Er ersetzt also die retinale Schaltung, also deren Kernbestandteile durch einen Satz Gleichungen, die wir in einen Chip implementieren können. Es ist also nur Mathematik. In anderen Worten, wir ersetzen nicht wirklich die Bestandteile der Netzhaut. Es ist nicht, als ob wir ein winziges Gerät für jeden Zelltypen entwerfen. Wir haben einfach abstrahiert, was die Retina mit Gleichungen tut. Und so dienen diese Gleichungen gewissermaßen als eine Art Codebuch. Ein Bild kommt an, passiert die Gleichungen, und heraus kommen Ströme elektrischer Impulse, wie sie eine normale Netzhaut produzieren würde.

Lassen Sie mich nun konkreter werden und Ihnen zeigen, dass wir tatsächlich einen normalen Output produzieren können, und was die Auswirkungen hiervon sind. Hier haben wir die drei Sätze von Sequenzmustern. Das Obere ist von einem normalen Tier, das Mittlere ist von einem blinden Tier, das mit dieser Encoder-Transducer-Prothese behandelt wurde, und das Unterste ist von einem blinden, mit einer normalen Prothese behandelten Tier. Das Unterste ist also das aktuelle Gerät, das gerade jetzt draußen ist, das im Grunde aus Lichtdetektoren besteht, aber keinem Encoder. Was wir also taten war Videos von alltäglichen Dingen abzuspielen -- Menschen, Babies, Parkbänke, Sie wissen schon, normale Dinge, die passieren – und wir filmten die Reaktionen der Netzhäute dieser Gruppen von Tieren. Nur um Ihnen Orientierung zu geben, jeder Kasten zeigt die Impulsmuster verschiedener Zellen, und genau wie auf den vorherigen Folien, ist jede Reihe eine andere Zelle, und ich habe nur die Impulse ein wenig skaliert und dünner gemacht, um Ihnen einen langen Datenstreifen zu zeigen.

Wie Sie also sehen können, stimmen die Impulsmuster der mit dem Encoder-Transducer behandelten Tiere weitgehend mit den normalen Impulsmustern überein – und sie sind nicht perfekt, aber ziemlich gut – und bei dem blinden Tier, das mit der Standartprothese behandelt wurde, tun das die Antworten absolut nicht. Mit der Standardmethode also feuern die Zellen, aber sie feuern nicht in den normalen Mustern, weil sie nicht den richtigen Code haben. Wie wichtig ist das? Was ist die mögliche Auswirkung auf das Sehvermögen des Patienten? Ich werde Ihnen jetzt ein Experiment zeigen, das uns diese Frage beantwortet, und natürlich habe ich noch viele andere Daten, wenn Sie also interessiert sind, zeige ich gerne mehr. Das Experiment ist ein Rekonstruktionsexperiment. Also, wir nahmen uns einen Zeitpunkt während dieser Aufnahmen und fragten uns, was die Netzhaut in diesem Moment sah. Können wir rekonstruieren, was die Netzhaut von den Antworten der Impulsmuster sah?

Das haben wir also mit den Antworten der Standardmethode und unseres Encoders und Transducers getan. Lassen Sie mich Ihnen das zeigen, ich werde mit der Standardmethode beginnen. Sie können sehen, dass sie recht eingeschränkt ist, und weil diese Impulsmuster nicht im richtigen Code sind, sind sie sehr eingeschränkt darin uns zu sagen, was da draußen ist. Sie sehen also, dass da etwas ist, aber es ist nicht wirklich klar, was dieses Etwas ist, und damit kommen wir wieder zu dem, was ich am Anfang sagte: dass Patienten mit der Standardmethode hochkontrastige Umrisse erkennen können, Licht sehen können, aber es geht nicht weiter als das. Was war das also für ein Bild? Es war ein Babygesicht. Wie sieht es also mit unserem Ansatz aus, den Code zu addieren? Sie können sehen, dass es so viel besser ist. Nicht nur können Sie das Babygesicht erkennen, Sie können sogar erkennen, dass es das Gesicht dieses Babies ist, eine wirkliche Herausforderung. Links ist also der Encoder alleine, und rechts sehen sie eine blinde Netzhaut, also Encoder und Transducer. Aber der entscheidende Faktor ist wirklich der Encoder, weil wir den Encoder mit dem anderen Transducer zusammenbringen können.

Dieser hier ist der erste, den wir ausprobiert haben. Ich wollte nur etwas zur Standardmethode sagen Als sie zunächst rauskam, war es eine wirklich aufregende Sache, die Idee, dass man eine blinde Retina überhaupt anregen konnte. Aber es gab den limitierenden Faktor, das Problem mit dem Code, und wie man Zellen besser antworten lassen konnte, um normale Reaktionen zu bewirken, und das war also unser Beitrag. Jetzt möchte ich nur zusammenfassen, und wie ich früher schon erwähnte, habe ich natürlich noch viele Daten, falls Sie interessiert sind, aber ich wollte nur diese grundlegenden Daten geben, in der Lage zu sein, mit dem Gehirn in seiner Sprache zu kommunizieren, und den potentiellen Möglichkeiten, die sich daraus ergeben. Es ist hier anders als mit Bewegungsprothesen, wenn wir vom Gehirn aus mit einem Gerät kommunizieren. Hier müssen wir von der Außenwelt aus in das Gehirn kommunizieren und vom Gehirn verstanden werden.

Und zuletzt wollte ich betonen, wirklich hervorheben, dass die Idee Grundlagen schafft. Also dieselbe Strategie, die wir benutzten, um den Code der Netzhaut zu finden, können wir auch nutzen, um den Code für andere Bereiche zu finden, wie zum Beispiel das auditive System und das motorische System, also um Taubheit und motorische Schäden zu heilen. Genauso wie wir in der Lage waren, die beschädigten Areale zu umgehen, um zu den Ausgangszellen der Netzhaut zu gelangen, können wir über beschädigte Verschaltungen im Innenohr springen, um zum Hörnerv zu gelangen, oder wir springen über beschädigte Areale des Kortex, um im motorischen Kortex um eine Lücke zu schließen, die ein Schlaganfall verursacht hat.

Ich möchte gern abschließen mit der einfachen Nachricht, dass den Code zu verstehen wirklich sehr sehr wichtig ist, und wenn wir den Code verstehen können, die Sprache des Gehirns, werden Dinge möglich, die bisher offenbar nicht möglich waren. Danke.

(Beifall)