Hersenwetenschappers experimenteren al decennialang met het opwekken van kunstmatig zicht bij blindheid, via elektroden in het brein. Wanneer kunnen zij blinden weer laten zien?
Dit artikel verscheen eind 2019 in Quest (nummer 12).
Het was enorme pech waardoor Canadees Jens Naumann (55) vanaf zijn twintigste volledig blind werd. Op zijn zeventiende vloog een stuk metaal in zijn ene oog, drie jaar later een splinter van de motorkop van zijn sneeuwmobiel in zijn ándere oog. Maar in 2002 zag hij de wereld weer tijdelijk, dankzij een hersenimplantaat dat camerabeeld omzet in lichtflitsen in het brein. Hij herinnert zich goed hoe hij na flink oefenen zijn omgeving begon te herkennen in die lichtpatronen.
Hij vertelt me er eind mei 2019 over, op het terras van zijn hotel in Maastricht, waar hij dan is vanwege een wetenschapscongres. ‘We stonden op de parkeerplaats, ik keek over mijn schouder en zág het gebouw waar het onderzoeksinstituut zat: de vorm, de deur, de bomen aan de zijkant. Ik kon zelfs de afscheidingsstenen op de parkeerplaats zien en eroverheen stappen. Het was een gevoel van vrijheid dat ik nooit had gevoeld in twintig jaar rondlopen met een stok.’ Later reed hij voor het oog van de CNN-camera zelfs in een auto over de parkeerplaats.
Naumann was de eerste proefpersoon in een unieke, maar omstreden studie. De Amerikaanse hersenwetenschapper Bill Dobelle week ervoor uit naar Portugal, waar hij zijn eigen onderzoeksinstituut opzette, omdat hij in Amerika geen toestemming kreeg voor experimenteren met mensen. Voor zijn zestien proefpersonen, die 100.000 dollar betaalden, was het geen rozengeur en maneschijn. De operatie was zwaar en de elektroden gaven letterlijk kopzorgen in de vorm van hoofdpijn, infecties en soms zelfs een epileptische aanval. Daarnaast werkte het systeem niet bij iedereen even goed. Naumann was het grootste succesverhaal, hij liep bijna een jaar ziend rond en werd medewerker binnen het project. Maar uiteindelijk begonnen ook zijn electroden mankementen te vertonen. Toen Dobelle in 2004 plotseling overleed, zonder over zijn resultaten te publiceren, stopte het project en tastten de proefpersonen weer volledig in het duister.
Naumann heeft de electroden nooit laten verwijderen en in zijn achterhoofd herinneren twee deukjes aan de tijd dat er draden door zijn schedel liepen, maar hij loopt tegenwoordig weer met stok.
Hersenwetenschappers wereldwijd hebben in de tussentijd niet stilgezeten. De technologie is verbeterd en uitgebreid getest op proefdieren. Inmiddels is onderzoek met blinde personen weer voorzichtig gestart. Maakt de blindenstok binnenkort dan echt plaats voor een ‘hersenprothese’?
Implantaat in het netvlies
Ben je blind en zijn alleen de staafjes en kegeltjes op je netvlies beschadigd? Dan bestaat er al een werkend implantaat waarmee je toch kunt zien, het retinaal implantaat. In de eerste laag van het netvlies, dat achterin je oog zit, vangen staafjes en kegeltjes binnenkomend licht en kleuren op. Als de rest van het netvlies nog goed werkt, kunnen onderzoekers dat gezonde deel van het netvlies stimuleren met electroden. Die techniek wordt al veel met blinde mensen getest. In Nederland probeerden afgelopen jaren drie mensen het retinaal implantaat uit.
Plattegrond in het brein
Een gezond oog stuurt visuele informatie naar de visuele hersenschors achterin het brein, waar het wordt omgezet in beeld. Het implantaat dat hersenwetenschappers nu ontwikkelen, ook wel hersenprothese genoemd, omzeilt het oog volledig. De blinde krijgt een bril of ander apparaat met een camera, die is gekoppeld aan elektroden in de visuele hersenschors. De elektroden zetten de camerabeelden om in elektrische stroompjes. ‘Dat zijn heel kleine stroompjes, alleen om de hersencellen actief te maken. Zou je veel sterkere stromen opwekken, dan simuleer je een epileptische aanval’, vertelt hersenwetenschapper Richard van Wezel (Radboud Universiteit), die met collega’s van verschillende universiteiten aan het hersenimplantaat werkt. Door de hersenstimulatie ontstaan fosfenen: lichtflitsen in het hoofd, een beetje te vergelijken met sterretjes zien als je te snel opstaat.
Maar hoe krijgen die sterretjes in iemands hoofd de vorm van de boom of stoeprand voor zijn neus? Dat gebeurt via de ‘visuele plattegrond’ in het brein, zegt Van Wezel. ‘Een punt in de buitenwereld wordt altijd geprojecteerd op een specifieke plek in de visuele hersenschors.’ Zou je je oog verdelen in een raster, dan kun je elk blok in dat raster koppelen aan een punt in het brein, hoewel net omgekeerd: de linkerkant van het brein krijgt bijvoorbeeld signalen van wat je rechts ziet. De hersenen bouwen het beeld dus eigenlijk pixel voor pixel op. Wie als volwassene blind werd, heeft die visuele plattegrond nog steeds, verwachten onderzoekers. Dan is het een kwestie van elektroden op de juiste locaties activeren, en er ontstaat een fosfenenpatroon van die boom.
Bij Naumann had dat proces heel wat voeten in aarde. Na zijn operatie moest hij zelf aangeven waar de lichtpuntjes opdoken als de onderzoekers een elektrode activeerden. Zag hij elektrode X bijvoorbeeld meer of minder ver van het midden dan elektrode Y? Naumann: ‘Dat is moeilijk aan te geven, maar moet heel nauwkeurig gebeuren.’ Bij hem duurde het proces ongeveer een week, bij sommige anderen werkte hun zicht na maanden nog steeds niet goed. Gelukkig kan het tegenwoordig anders, de visuele plattegrond is ook in kaart te brengen via hersenscans.
Spijkerbedje
Sinds dat experiment uit 2002 is wel meer veranderd. Camera’s zijn beter, computerprocessoren sneller en implantaten effectiever. Neumanns implantaat lag op de visuele hersenschors, tegenwoordig zijn het een soort spijkerbedjes die erín prikken. Dat klinkt wat eng, maar is juist veiliger: de elektroden blijven beter op hun plek zitten en je kunt hersencellen directer stimuleren, waardoor minder stroom nodig is.
Zo’n ‘spijkerbedje’ is kleiner dan een vingertop, maar bevat honderd elektroden, goed voor honderd lichtpuntjes. Bij het Nederlands Herseninstituut kregen twee apen vorig jaar tien van die implantaten in hun brein, in totaal dus duizend elektroden. In theorie geeft dat nog veel beter zicht dan Naumann had, die met 96 werkende elektrodes rondliep. Maar hoe test je dat bij een aap? Hij zal je niet in geuren en kleuren vertellen wat hij ziet. De apen, die niet blind waren, leerden daarom eerst om op een computerscherm naar een bepaalde kant te kijken in ruil voor iets lekkers. Vervolgens zetten de onderzoekers hen in het donker en stimuleerden de breinelektroden. De dieren bewogen hun ogen telkens naar het punt waar ze hadden geleerd te kijken als die elektroden werden gestimuleerd. De onderzoekers leerden de apen ook met succes patronen in fosfenen herkennen.
De apen lieten zien dat het hersenimplantaat doet wat het moet doen. In Spanje kreeg daarom eerder dit jaar de eerste blinde mens het implantaat, om het een paar maanden te testen. Als dat goed gaat, volgen meer proefpersonen. Ook in Amerika zijn de eerste experimenten met mensen gestart, met een ander type elektroden.
Ondertussen sleutelen onderzoekers door aan de details. Zo probeert Van Wezel uit te vogelen hoeveel fosfenen (en dus elektroden) een blinde nodig heeft. In een keldergang heeft hij met collega’s obstakels als tafeltjes, stoelen en fietsen neergezet. Ziende proefpersonen lopen daar doorheen in een pak met bewegingssensoren en met een virtualrealitybril die kunstmatige zicht nabootst met meer of minder lichtpuntjes. ‘We analyseren van alles: hoe goed mensen zich bewegen, hoe snel, de stapgrootte.’ Ook willen ze weten hoe snel de camera het beeld moet kunnen doorgeven aan de hersenen. Zit daar vertraging in, dan ziet een blinde het bijzettafeltje pas als hij er al overheen ligt.
Gentherapie
Een virus inspuiten in het oog? Het klinkt luguber, maar zou hét antwoord kunnen blijken op genetische vormen van blindheid. Er bestaan allerlei (nu nog) ongeneeslijke genetische oogziektes waardoor mensen langzaam blind worden. Bij gentherapie wordt een ongevaarlijk virus samen met een gen in het netvlies ingebracht. Het virus dringt cellen in het netvlies binnen, het gen lift mee en voorkomt vervolgens dat de cel afsterft. Er lopen al verschillende grote studies onder patiënten, met hoopgevende resultaten. Al is het zaak om er op tijd bij te zijn: gentherapie kan afgestorven cellen niet meer tot leven wekken.
Van lab naar mens
De hoop is dat dit implantaat voor blinden wordt wat het cochleaire implantaat al is voor doven. Dat oorimplantaat zet geluid om in elektrische signalen en die doorgeeft aan de gehoorzenuw. Van Wezel: ‘Al meer dan 300.000 mensen wereldwijd gebruiken dat, in Nederland krijgen 600 tot 700 mensen per jaar een cochleair implantaat. Zij horen daarmee niet precies wat wij horen, maar het is genoeg om spraak te verstaan.’
Wat Naumann betreft kan de hersenprothese er niet snel genoeg komen. Hij snapt dat onderzoekers werken aan implantaten met zoveel mogelijk elektroden, en dus beter zicht, maar waarom komt een simpelere versie niet alvast op de markt? ‘Het is alsof je één auto hebt gemaakt, er een testritje mee hebt gereden, zag dat het honderd keer sneller was dan lopen, maar hem toch weer uit elkaar haalt om eraan te werken totdat hij perfect is. Ondertussen sjokken we verder met paard en wagen.’ Hij wil maar zeggen: met slechts honderd elektroden komt een blinde al een heel eind. Hij wijst naar zijn koffiekopje op tafel: ‘Mijn zicht was zo goed dat ik zou kunnen zien waar het oortje zit.’
Volgens van Wezel zijn er meer redenen waardoor het lang duurt. ‘In het begin waren er problemen met het vinden van goede elektrodes.’ Daarnaast mislukte een aantal grote projecten, waarna het een poosje lastig is geld voor nieuw onderzoek te krijgen. ‘Tussen het lab en de markt zit vaak een moeilijk te overbruggen gat. Hoe krijg je je uitvinding tot een écht product, dat mensen écht gebruiken?’
Een technisch probleem is nog om hersenimplantaten lang mee te laten gaan. De elektroden zijn indringers in het brein, waar bindweefsel omheen gaat groeien. Uiteindelijk raakt het zo overwoekerd dat de elektroden geen goede signalen meer kunnen afgeven. Van Wezel: ‘De elektroden die we nu hebben gaan wel een paar jaar mee. Maar we zouden willen dat het tien tot twintig jaar goed blijft werken.’ Verder zou het ideaal zijn om de hersenstimulatie draadloos te doen, iets waar een groep in Eindhoven aan werkt. Nu lopen er nog draden naar de elektroden via een gat in de schedel.
Toch heeft Van Wezel er vertrouwen in dat het idee de komende jaren écht het lab uitkomt. ‘De stap om het bij mensen in te brengen is gemaakt, dat is al een omslag.’ Al geeft hij toe; zelfs als die experimenten van een leien dakje gaan, kan het nog een paar decennia duren voordat blinden op grote schaal naar de chirurg gaan voor elektroden in hun brein.
‘Zien’ via andere zintuigen
Er bestaan allerlei ideeën om met technologie blinden en slechtzienden te laten ‘zien’ via andere zintuigen. Enkele voorbeelden:Gezichtsuitdrukkingen voelen
Een camera op je bril registreert je gesprekspartner, telefoonsoftware herkent de gezichtsemotie en je riem geeft een trilsignaal dat bij die emotie hoort. Dit ‘voelen’ van non-verbale communicatie is een idee in ontwikkeling van de Universiteit Twente.
Tongstroompjes voelen
Een Amerikaans bedrijf werkt aan een systeem waarbij blinden een stokje met elektroden als een lolly in hun mond steken. Op hun tong voelen ze bewegende patronen, gebaseerd op camerabeelden. Via training leren ze in die patronen informatie herkennen over voorwerpen, zoals vorm en locatie.
Plaatjes horen
Nog een Nederlandse vinding: een systeem dat camerabeelden ‘leest’ van links naar rechts en vertaalt naar geluidspatronen. De toonhoogte geeft de hoogte van objecten aan, geluidsvolume de helderheid. Ook dit vraagt om training, maar uiteindelijk is de hoop dat gebruikers het beeld voor zich gaan zien.
Doneren
Dit artikel kon je gratis lezen via mijn website. Waardeer je het en wil je dat laten blijken? Je kunt mijn journalistieke werk steunen met een donatie.
