Blinde mensen weer kunnen laten zien klinkt als een wonder of zelfs sciencefiction en het is altijd één van de grootste uitdagingen geweest voor wetenschappers. Diego Ghezzi, die de Medtronic Chair in Neuroengineering (LNE) bekleedt aan de School of Engineering van EPFL, heeft van dit probleem een onderzoeksfocus gemaakt. Sinds 2015 hebben hij en zijn team een netvliesimplantaat ontwikkeld dat werkt met een slimme bril met camera en een microcomputer. “Ons systeem is ontworpen om blinde mensen een vorm van kunstmatig zicht te geven door elektroden te gebruiken om hun netvliescellen te stimuleren”, zegt Ghezzi. 32 miljoen mensen over de hele wereld zijn blind. Tussen de 2 en 4 miljoen van hen hebben dit te wijten aan het verlies van lichtgevoelige cellen in hun netvlies. De meest veelbelovende behandeling voor dit type blindheid is een retinaal implantaat met elektroden die de retinale cellen elektrisch stimuleren. “Maar de huidige implantaten leveren zeer slechte resultaten op en hun dragers worden nog steeds als legaal blind beschouwd”, zegt Diego Ghezzi. “Om een zogenaamd ‘normaal’ leven te leiden, moet de geïmplanteerde persoon een gezichtsveld van ten minste 40 graden hebben en de huidige implantaten halen slechts 20 graden.”
De LNE-onderzoekers hebben een baanbrekend draadloos implantaat bedacht, gemaakt van een zeer flexibel en buigzaam materiaal en met fotovoltaïsche pixels. De verwachting is dat dragers een gezichtsveld van 46 graden krijgen samen met een veel betere resolutie. Deze bevindingen zijn onlangs gepubliceerd in Nature Communications.
Slechte resultaten van bestaande implantaten.
De retinale implantaten die momenteel beschikbaar zijn, bestaan uit een raster van elektroden die direct op het netvlies worden geplaatst. De implantaten zijn aangesloten op een bril en een camera en op een draagbare microcomputer. De camera legt beelden vast die het gezichtsveld van de implantaat binnendringen en stuurt ze naar de computer die ze omzet in elektrische signalen die naar de elektroden verzonden worden. De elektroden stimuleren de retinale ganglioncellen op basis van de lichtpatronen die in het gezichtsveld worden gedetecteerd. De implantaat moet dan leren hoe hij de binnenkomende visuele sensaties moet interpreteren om de beelden te ‘zien’. Hoe talrijker en gedetailleerder de patronen hoe gemakkelijker het voor de drager is om ze te herkennen.
Een groter oppervlak betekent meer pixels.
Het implantaat van EPFL is, net als conventionele implantaten, samengesteld uit een reeks pixels, glazen en een camera, maar geen draden. Het heeft ook een groter oppervlak dat is ontworpen om het gezichtsveld te verbreden en de beeldkwaliteit te verbeteren. De grotere omvang betekent ook dat meer netvliescellen worden gestimuleerd door de fotovoltaïsche pixels. “Dit vergroot het gezichtsveld”, zegt Laura Ferlauto, wetenschapper aan het LNE. “Bestaande implantaten stimuleren alleen cellen in het midden van het netvlies.” Naïg Chenais, een promovendus in het lab, voegt eraan toe: “Het betekent ook dat we het aantal fotovoltaïsche pixels kunnen vergroten, waardoor de beelden scherper worden.”
Dezelfde afbeelding ziet er heel anders uit, afhankelijk van het aantal beschikbare pixels.
Chirurgische beperkingen.
Tot nu toe werd de grootte van retinale implantaten voornamelijk beperkt door de lengte van de chirurgische incisie in het oog. “De snee moet zo klein mogelijk zijn om beschadiging van het weefsel te voorkomen”, zegt Chenais. Om over deze hindernis heen te komen kozen de onderzoekers ervoor om met een uiterst flexibel materiaal te werken. Hierdoor kan het implantaat tijdens de operatie worden gevouwen, zodat een groter implantaat kan worden ingebracht zonder de incisie te vergroten. Het materiaal is een transparant, niet giftig polymeer dat al in de medische wereld wordt gebruikt. “Omdat het polymeer flexibel is, kan het implantaat zich naar de kromming van het oog buigen en in beter contact komen met de retinale ganglia”, voegt Marta Airaghi Leccardi, een andere promovendus aan het LNE, eraan toe.
Fotovoltaïsche pixels en geen draden.
De onderzoekers konden hun implantaat draadloos maken door de elektroden te vervangen door fotovoltaïsche pixels. In tegenstelling tot elektroden wekken de pixels op zonne-energie zelf een elektrische stroom op en hebben ze geen externe energiebron nodig. Het door de camera opgevangen licht hoeft dus niet meer in elektrische signalen te worden omgezet. In plaats daarvan moet het worden vergroot om te worden gedetecteerd en verwerkt door de fotovoltaïsche pixels. “De pixels reageren alleen op lichtsignalen die voldoen aan bepaalde eisen op het gebied van intensiteit, duur en golflengte”, zegt Ferlauto. “Natuurlijk licht alleen is niet genoeg.” Een tweede voordeel van fotovoltaïsche pixels is dat ze minder ruimte innemen dan elektroden. Er passen er meer op het implantaat, wat zowel de gezichtsscherpte als het gezichtsveld verder verbetert.
In de eerste testronde bleek het prototype niet toxisch te zijn en met succes het gezichtsveld en de gezichtsscherpte te vergroten. De volgende stap zullen in vivo proeven zijn om naar andere factoren te kijken, zoals hoe de pixels zich gedragen en hoe lang het implantaat meegaat. “Het zal ook interessant zijn om te zien hoe de personen zich aanpassen aan deze nieuwe manier van zien die niet helemaal hetzelfde is als natuurlijk zicht”, besluit Ferlauto.
Vertaling persbericht: Andre Teirlinck