Vor etwa zehn Jahren startete das Bundesforschungsministerium das Projekt Retina-Implant mit dem Ziel, eine Netzhautprothese zu entwickeln, mit der an Netzhautdegeneration erblindete Menschen wieder Seheindrücke wahrnehmen können. Bei der erblich bedingten Retinitis pigmentosa beginnt der Verlust des Sehvermögens schon in der Jugend und kann bisher durch keine Therapie aufgehalten werden. Allein in Deutschland sind etwa 15.000 Menschen an Retinitis pigmentosa erblindet.
An der Entwicklung der Netzhautprothese arbeiten mehrere Forschungskonsortien und gehen dabei unterschiedliche Wege. Beteiligt sind Wissenschaftler aus Augenheilkunde, Neurophysiologie, Pathologie, Mikroelektronik, Informatik, Mikrosystemtechnik und Optoelektronik. Heute steht die künstliche Netzhaut kurz vor der klinischen Anwendung.
Nachdem die Verträglichkeit der Implantate in zahlreichen Tierversuchen zweifelsfrei erwiesen ist, wurden jetzt die ersten Erkenntnisse über ihre Wirkung im visuellen System des Menschen gewonnen. An diesem Programm haben 20 an Retinitis pigmentosa erblindete Patienten teilgenommen. In der Augenklinik der RWTH Aachen und den Universitäts-Augenkliniken Hamburg, Essen und Wien wurde ihnen der Netzhaut-Chip unter örtlicher Betäubung auf die Netzhaut gelegt und aktiviert. 19 Patienten berichteten über Sehwahrnehmungen. Mit dieser Studie konnten die Wissenschaftler weitere bedeutsame Erkenntnisse gewinnen, z.B. für die Entwicklung vom Prototyp zum dauerhaft anwendbaren Medizinprodukt. Die Forschungsgruppe um Professor Peter Walter, Augenklinik der RWTH Aachen, rechnet damit, dass ihr System mit dem Chip auf der Netzhaut (epiretinal) innerhalb der nächsten zwei Jahre einsatzbereit ist und ein zur Orientierung erforderliches Sehen ermöglicht.
Neuroimplantate –
Schrittmacher für Nervenzellen
Nervenzellen oder Neurone haben die Aufgabe, Reize aufzunehmen – etwa von Sinneszellen – sie zu verarbeiten und weiterzuleiten, um eine Reaktion auszulösen.
Wenn durch das langsame Absterben der Nervenzellen nicht mehr genügend von ihnen vorhanden sind, um diese Aufgabe zu erfüllen, sollen Neuroimplantate die noch intakten Nervenzellen mit elektrischen Stromimpulsen dazu reizen, die Funktion ausgefallener Zellen mit zu übernehmen, Signale abzugeben, zu feuern.
Unser visuelles System ist sehr komplex aufgebaut. Nervenzellen, die Sehinformationen weiterleiten, befinden sich auf der Netzhaut, sind im Sehnerv gebündelt und in den Strukturen, die zur Sehrinde, dem visuellen Kortex, führen. Unsere Nervenzellen sprechen alle die gleiche Sprache, produzieren elektrische Signale und können durch Einfluss von außen angeregt werden, zu feuern. Die Stimulatoren, die das bewirken, können im Prinzip überall dort platziert werden, wo Nervenzellen des visuellen Systems sind: unter der Netzhaut (subretinal), auf der Netzhaut (epiretinal), am Sehnerv, in der Sehrinde. Das gemeinsame Konzept dieser Implantate besteht darin, über Reizelektroden Reizströme abzugeben, die in der Lage sind, die Zelleigenschaften der Nervenzellen so zu verändern, dass sie ihre natürlichen Aktionsimpulse abfeuern. Auf diese Weise kann durch geschickte Wahl der Reizparameter ein künstliches Sehen erzeugt werden, das dem natürlichen Sehen ähnlich ist.
Beim subretinalen Ansatz werden zahlreiche kleine lichtempfindliche Elemente unter die Netzhaut implantiert, die das einfallende Licht in Strom umwandeln: Mikrofotodioden. Die derzeit zur Verfügung stehenden Mikrofotodioden haben allerdings einen zu geringen Wirkungsgrad, um allein mit dem einfallenden Licht eine Stimulation der Netzhaut zu erreichen. Daher werden in einem aktiven subretinalen Implantat externe Energiequellen eingesetzt.
Das epiretinale Implantat stimuliert die Netzhautinnenseite im Bereich der Ganglienzellen. Das Signal für die Reizelektroden stammt aus einem Sehprozessor, der Kameradaten so umwandelt, dass eine effektive Ganglienzellstimulation erzielt werden kann. Diese Signale werden gemeinsam mit der notwendigen Energie telemetrisch - also ohne Kabelverbindung - über eine vor dem Auge angebrachte Spule, die in eine Brille integriert sein kann, zu dem epiretinalen Implantat gesendet.
Ansätze zur Wiederherstellung des Sehvermögens über implantierbare Netzhautprothesen sind bei allen Erkrankungen sinnvoll, die zu einem progredienten Verlust von Fotorezeptoren führen, wie beispielsweise bei der Retinitis pigmentosa. Bei Erkrankungen des Sehnervs - wie z.B. beim Glaukom (Grüner Star) - kommen nur Sehnervprothesen oder Stimulatoren im Bereich von Hirnregionen in Betracht, die dem visuellen System zuzurechnen sind.
Eine der Schlüsselfragen bei dem retinalen Implantat ist, wie eine Mikrokontaktfolie auf der Netzhaut befestigt werden kann. Hierzu werden derzeit winzige Titanstifte mit Widerhaken verwendet. Sie verankern die Folie in Aderhaut und Lederhaut, die unter der Netzhaut liegen. Tierexperimentelle Untersuchungen haben gezeigt, dass dieses Verfahren gut vertragen wird.
Eine andere Schlüsselfrage ist die der Stromversorgung eines solchen Implantates. Auf eine Batterie im Auge muss aus nahe liegenden Gründen verzichtet werden.
Zum Einsatz kommt daher ein telemetrisches System, das kabellos Energie und die notwendigen Signale über eine Sendespule außerhalb des Auges an einen im Auge implantierten Empfänger sendet. Hierzu wird ein elektromagnetisches Feld erzeugt; die Stromerzeugung erfolgt induktiv. Der Empfänger ist in eine Kunststofflinse integriert, die wie die Intraokularlinse bei der Kataraktoperation (Grauer Star) gegen die natürliche Augenlinse ausgetauscht wird. Die Empfangselektronik in dieser Speziallinse ist mit einem ultraflexiblen Kabel mit der eigentlichen Mikroelektrodenfolie verbunden. Das gesamte Implantat ist damit etwa 2,5 cm lang.
Die operativen Verfahren, eine solche Prothese zu implantieren, sind in zahlreichen Experimenten entwickelt worden: Bei der Entfernung der Augenlinse bleibt der Linsenhalteapparat, die Kapsel, erhalten. Nach Entfernung des Glaskörpers schneidet der Chirurg ein kleines Loch in die hintere Linsenkapsel und schiebt das Implantat durch einen Schnitt in der Hornhaut auf die Kapsel. Die eigentliche Elektrodenmatrix wird durch die Öffnung der hinteren Kapsel im Glaskörperraum platziert und die Elektrodenmatrix an der vorgesehenen Stelle auf der Netzhautoberfläche mit einem winzigen Titanstift fixiert.
In eine Reihe von tierexperimentellen Untersuchungen wurde analysiert, ob mit derartigen Implantaten Sehwahrnehmungen ausgelöst werden können. Die Gruppe um den Neurophysiker Reinhard Eckhorn hat in Marburg die Nervenzellaktivität von Zellgruppen in der Sehrinde abgeleitet und berechnet, bei welchen Reizströmen und Reizmustern eine adäquate Erregung in der Sehrinde hervorgerufen werden kann. Die Gruppe um den Neurophysiologen Ulf Eysel in Bochum hat den Stoffwechsel in der Sehrinde untersucht und gefunden, dass die Aktivierung im Gehirn an einer Stelle erfolgt, die exakt mit der Region übereinstimmt, an der die Stimulation auf der Netzhaut erfolgt. Man spricht von retinotoper Erregung.
Diese Untersuchungsergebnisse geben berechtigten Grund zu der Annahme, dass Retina-Implantate nicht nur in der Lage sein werden, unspezifische Sehwahrnehmungen etwa wie bei einem Blitzgewitter auszulösen, sondern tatsächlich Seheindrücke, die mit den Wahrnehmungen beim normalen Sehen verwandt sind.
An einer ersten Studie einer Bonner Neurotechnologiefirma haben jetzt 20 blinde Retinitis pigmentosa Patienten teilgenommen, bei denen eine Stimulationsfolie in örtlicher Betäubung auf die Netzhaut aufgelegt wurde. Die Patienten wurden befragt, ob sie nach der Aktivierung der Elektroden visuelle Wahrnehmungen haben. Bei 19 von den 20 Patienten konnten Sehwahrnehmungen ausgelöst werden.
Sehen funktioniert sehr viel komplizierter als die Elektronik in einer Digitalkamera, die auf einem homogenen Feld von lichtempfindlichen Teilchen (Pixeln) basiert. Sehen ist sehr viel mehr. Die Nervenzellen in der Netzhaut, aber vor allem im Gehirn, reagieren nicht nur darauf, ob ein Lichtpunkt hell oder dunkel ist, sondern auch auf Bewegung, auf Orientierung, auf Farbe, auf Umgebungshelligkeit und sie berücksichtigen die Stellung des Auges. All diese Informationen sind notwendig und spielen eine Rolle, bei der Berechnung, welche Ströme und welche Pulse wir benutzen können, um die Nervenzellen – sei es in der Netzhaut oder in der Sehrinde – so zu erregen, dass ein Seheindruck zustande kommt. Diese Vorverarbeitung ist umso komplizierter, je näher sie an der Sehrinde stattfindet, weil das Sehsystem ja viele dieser Schritte vorher berechnet und das muss ein technisches System nachvollziehen. Die Elemente dieser Vorverarbeitung, die Prozessoren und die Algorhythmen existieren aber bereits. Es geht jetzt darum, die Komponenten zusammenzusetzen und Prototypen herzustellen, die für den Patienten eingesetzt werden können.
Obwohl zur Zeit Implantate mit einer nur begrenzten Zahl von Elektroden zur Verfügung stehen, gibt es eine wesentliche Hoffnung für die erste Phase dieser Projekte und die basiert darauf, dass unser Gehirn wesentlich mehr leistet, als wir ihm zutrauen. Die Verarbeitung im Gehirn ist kein statischer Prozess, sondern im Fall des Ausfalls von sensorischen Systemen, entwickelt sich eine Umorganisation der bisherigen Signalverarbeitung. Bereiche, die bisher für das ausgefallene System reserviert waren, können jetzt für die anderen Sinne einspringen. So können Kompensationsmechanismen einsetzen. Diese neuronale Plastizität hoffen die Forscher bei der Implantation der Sehprothesen ausnutzen zu können.
Die Retina-Implant-Entwicklungen in Deutschland wurden von Beginn an von den Selbsthilfegruppen, insbesondere von Pro Retina begleitet. Gerade in der ersten Phase der Projekte saßen die Patienten mit den Forschern am Diskussionstisch, so entstand eine vertrauensvolle Atmosphäre und die führte bei sehr vielen Patienten zu einer großen Akzeptanz dieser Projekte. Dabei darf man nicht vergessen, dass es mit der Implantation nicht getan ist. Wir gehen heute davon aus, dass der Nutzen einer implantierbaren Sehprothese entscheidend von einem Lernvorgang abhängt, einem Trainingsprozess, der entsprechend zeitaufwändig sein wird.
Außerdem ist immer zu beachten, dass die Anwendung solcher technischen Implantate auch Risiken und Gefahren in sich birgt. Zum einen sind es die Risiken und Nebenwirkungen durch die Operation selbst, also all die Komplikationen, die bei jedem netzhautchirurgischen Eingriff denkbar sind: Blutungen, Entzündungen, Infektionen, Netzhautablösungen. Zum anderen gilt es, auch die grundsätzliche Frage zu bedenken, die sich bei der Kopplung des Zentralnervensystems mit externen Komponenten stellt: Ist damit theoretisch eine Manipulierbarkeit des Geistes gegeben? Aus der Sicht der an den Projekten beteiligten Wissenschaftler ist auch dieser Aspekt Teil des gesellschaftlichen Dialogs, der die Entwicklung der Netzhautprothesen begleiten sollte.
Professor Dr. med. Peter Walter
Direktor der Augenklinik, RWTH Aachen
Universitätsklinikum Aachen
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