I-See - The artificial eye: chronic interfaces to the visual cortex

Koordination: Dr. Dorothe Poggel, HWK

Mitglieder

Udo Ernst, David Rotermund, Walter Lang, Andreas Kreiter, Klaus Pawelzik, Kerstin Schill, Christoph Zetzsche
University of Bremen, Creative Unit „I-See – The artificial eye: chronic interfaces to the visual cortex“

Laufzeit: 01.01.2016 - 31.12.2019

Inhalte

Prinzipiell stehen zwei technische Ansätze für neuroprothetische Systeme zur Verfügung, die blinden Menschen wieder einfache Seheindrücke ermöglichen könnten: retinale Sehprothesen, die einen künstlichen Netzhautersatz anstreben, und kortikale Sehprothesen, welche darauf abzielen, Seheindrücke direkt in den visuellen Kortex des Gehirns einzuspeisen. Bei etwa der Hälfte der erblindeten Patienten, bei denen z.B. der Sehnerv oder essentielle Teile der Netzhaut geschädigt sind, kommt nur eine kortikale Sehprothese in Betracht. Im Vergleich zu den retinalen Sehprothesen, die nach einer vieljährigen Entwicklungsphase nun die ersten Schritte in die klinische Anwendung machen, steht jedoch die Erforschung und Entwicklung von kortikalen Sehprothesen noch am Anfang.

Thema der Focus Group ist die Erforschung der technologischen, klinischen und neurophysiologischen Grundlagen zur Konstruktion und Anwendung von kortikalen Prothesen für das visuelle System. Das langfristige Ziel ist die Entwicklung von kortikalen hochauflösenden Neuroprothesen, die es blinden Patienten erlauben, komplexe Bildinhalte wahrzunehmen. Dies soll den blinden Nutzer der Prothese in die Lage versetzen, Konturen zu erkennen, Objekte zu identifizieren, natürliche Szenen zu segmentieren und sich autonom in einer natürlichen Umgebung zu orientieren. Dazu sollen elektrische Signale in die neuronale Aktivität der primären visuellen Areale des Gehirns als künstliche visuelle Information integriert werden. Die Erforschung, Erprobung und Anwendung eines solch komplexen medizinischen Systems erfordert eine interdisziplinäre Gruppe an Forschern, Medizinern und Technologen.

Auf der neurowissenschaftlichen Seite besteht eine erste Herausforderung darin, die Informationsverarbeitung im Sehsystem hinreichend zu verstehen, um eine elektrische Stimulation so zu steuern, dass ein möglichst natürlicher Seheindruck beim Nutzer entsteht. Mit Hilfe der Computational Neuroscience, die sich mit der Theorie der neuronalen Netzwerke sowie deren Modellierung, Simulation und mathematischer Analyse befasst, könnten einige dieser Fragen gelöst werden.

Auf der technologischen Seite muss eine langzeitstabile, räumlich und zeitlich hochauflösende Schnittstelle zum Messen und Manipulieren der neuronalen Aktivität geschaffen werden. Ein bisher ungelöstes Problem ist es, den notwendigerweise mechanisch hochflexiblen und implantierten Teil der Prothese vor der "elektronik-feindlichen" Umgebung im Körper über viele Jahre hinweg zuverlässig zu schützen. Auch müssen Methoden entwickelt werden, um elektronische Bauteile auf diesem hochflexiblen Substrat sicher zu befestigen. Hinzu kommt, dass der elektrische Übergang zwischen Implantat und Gehirngewebe dauerhaft möglichst stabil erhalten werden muss, und dass dieser Übergang gegenüber galvanischer Auflösung durch die elektrische Stimulation geschützt wird.

Der Einsatz einer Sehprothese im klinischen Umfeld bringt ebenfalls eine Reihe an Herausforderungen mit sich: Die dreidimensionale Form des Implantats muss an die anatomischen Verhältnisse, z.B. die individuelle Lage der Blutgefäße des jeweiligen Patienten, angepasst werden. Hierzu sind Entwicklungen spezieller MRT Messungen sowie Operationstechniken nötig.
Konstruktionsbedingt kann ein Sehimplantat immer nur eine geringe Zahl an Stimulationsorten im Vergleich zu der sehr großen Anzahl der Neurone des visuellen Systems zur Verfügung stellen. Durch Ansätze aus der Computer Vision/ Informatik und aus psychophysischen Experimenten können wir lernen, wie man die für jeden Patienten individuelle Verteilung von Stimulationsorten optimal nutzt. In dieses Themenfeld gehört auch die Entwicklung effizienter Trainingsprozeduren für die Träger der Prothesen.

Veranstaltungen

  • Arbeitstreffen zum aktuellen Stand der Forschung und anstehender Projekte
  • Koordinationstreffen zur Beantragung von Fördergeldern zur Weiterführung und Ausweitung der Forschungsaktivitäten der bestehenden Creative Unit
  • Vorträge und Diskussionen mit externen Gästen, um externe Expertise in die Vorarbeiten einzubringen
  • Ausrichtung von zwei internationalen Workshops: „Natürliche Integration von Informationen in neuronalen Aktivitäten des Gehirns durch externe Stimulation“ und „Raum-zeitliche Verarbeitung komplexer visueller Reize: Theorie und Experiment“

Ziele

  • Weiterführung der Entwicklung und Forschung auf dem Gebiet der visuellen Neuroprothetik in einem größeren Forschungsumfeld und entsprechende Antragstellung
  • Publikation von Vorarbeiten und aktuellen Ergebnissen in Fachzeitschriften