Forschern ist möglicherweise ein großer Durchbruch auf dem Weg zu Sehprotesen gelungen: Sie konnten mit über 1.000 tiefliegenden Elektroden einfache Bilder in den Gehirnen von Affen erzeugen.
Es ist seit über 70 Jahren bekannt, dass elektrische Stimulation des menschlichen visuellen Kortex die Wahrnehmung kurzer Lichtblitze auslöst, sogenannte Phosphene. Diese Tatsache hat zu zahlreichen Versuchen geführt, Sehprothesen zu entwickeln, die den visuellen Kortex elektrisch stimulieren und blinde Menschen wieder sehen lassen.
Dafür wird üblicherweise eine Kamera am Kopf befestigt, die die visuelle Szene aufnimmt. Ein Computer übersetzt diese Aufnahme in ein Muster für die elektrische Hirnstimulation.
Die Entwicklung und der Einsatz solcher Sehprothesen scheiterte bislang an technologischen Hürden, insbesondere an den Hirnstimulatoren selbst: Zu wenige und zu große Elektroden verhinderten ein sicheres und effektives Eingreifen in den Kortex.
Doch Forscher entwickeln immer feinere Elektroden und Chips, die Signale zu und von den Elektroden hin- und wegleiten. Die erreichte Miniaturisierung erlaubt heute Chips mit über 1.000 Elektroden, wie etwa der Hirnchip von Elon Musks Neuralink zeigt.
Neuronen-Malen nach Zahlen
Im Mai 2019 konnten Forscher um die Neurowissenschaftler Michael S. Beauchamp und Daniel Yoshor blinde Patienten die Form von Buchstaben erkennen lassen, indem sie den visuellen Kortex mit auf der Kopfoberfläche angebrachten Elektroden stimulierten.
Statt verschiedene Elektroden auf einmal zu stimulieren, um eine Form zu erzeugen, aktivierten die Forscher die Elektroden dynamisch nacheinander und „zeichneten“ so die Buchstaben auf das Gehirn der Patienten. Die Autoren vergleichen ihren Ansatz mit dem Malen eines Buchstabens auf die Handoberfläche einer Person.
Die Forscher versuchten so, ein wesentliches Problem der oberflächlichen Stimulation mit Elektroden zu umgehen: Um tiefere Bereiche des visuellen Kortex zu stimulieren, müssen die Elektroden relativ hohe Ströme abgeben. Das begrenzt jedoch die Anzahl nutzbarer Elektroden, die ohne Risiko gleichzeitig für den Patienten aktiviert werden können.
Die Oberflächenelektroden elektrisieren außerdem zwangsläufig mehrere Millimeter des Kortex und haben daher eine geringe räumliche Auflösung.
Stimulation mit tiefliegenden Elektroden zeigt erste Erfolge
Europäische Forscher sind jetzt einen Schritt weiter gegangen: Sie haben knapp über 1.000 Elektroden tief in Bereiche des visuellen Kortex (V1 und V4) von Makaken-Affen implantiert. Die Theorie: Durch die tiefliegenden Elektroden sind eine höhere Bildauflösung und eine sichere, konstante Stimulation möglich.
Für ihre Studie haben die Forscher die Makaken darauf trainiert, auf bestimmte Reize mit festgelegten Augenbewegungen zu reagieren. Nachdem die Elektroden im V1-Bereich implantiert und durch Feedback aus dem V4-Bereich richtig eingestellt waren, zeigten die Makaken das gleiche Verhalten, unabhängig davon, ob ein visueller Reiz durch das Auge oder die Elektroden ausgelöst wurde.
In ihren Experimenten konnten die Forscher so zeigen, dass die Stimulation der V1-Region tatsächlich zur visuellen Wahrnehmung von Formen wie Buchstaben in den Makaken-Hirnen führt. Sie konnten außerdem nachweisen, dass die sukzessive Stimulation die Affen auch Bewegung wahrnehmen lässt.
Studienleiter Pieter R. Roelfsema bezeichnet die Zahl der implantierten Elektroden und die Anzahl der dadurch im Hirn angezeigten künstlichen Pixel als beispiellos.
Elektrische Stimulation: Der Weg zur Sehprothese?
Die europäischen Forscher und ihre an der älteren Studie beteiligten amerikanischen Kollegen sehen in den Ergebnissen den eindeutigen Beweis, dass die elektrische Stimulation des Gehirns der richtige Weg ist, um blinden Menschen eine künstliche Form des Sehens zu ermöglichen, falls der visuelle Kortex intakt ist.
Die von den europäischen Forschern vorgenommene Stimulation des visuellen Kortex V1 erzeuge nur sehr einfache Lichtblitze, schreiben Beauchamp und Yoshor in einem begleitenden Kommentar. Daher hätten Roelfsema und seine Kollegen neue Maßstäbe gesetzt, „indem sie gezeigt haben, dass 1.000 Elektroden für die Wahrnehmung von Buchstaben, Orientierungen und Bewegungen ausreichen.“
Nach den „Fehlstarts der letzten Jahrzehnte“ schöpfen die Forscher Hoffnung für größere Fortschritte bei der künstlichen Sehstimulation: Angesichts der Ergebnisse ließe sich darüber spekulieren, ob mit einer gleichzeitigen Stimulation der V1- und V4-Region des visuellen Kortex Farben und komplexere Muster auslösbar seien und dadurch ein natürlicheres Sehen ermöglicht werden könne.
Via: Science
