Retina-Implantate

Zusammen mit anderen Forschern entwickelt Walter Wrobel von der Retina Implant AG in Reutlingen einen lichtempfindlichen Chip, der erblindeten Menschen das Sehvermögen wiedergeben kann. In unserem Podcast erklärte der Physiker, wie diese Technik funktioniert. Hier finden Sie den Beitrag zum Nachlesen.

„Look and you will see!“ – „Du sollst wieder sehen!“ Wenn man der Bibel glaubt, sprach Jesus diese Worte zum blinden Bartimäus in Jericho, um ihn zu heilen. Sie stehen auch auf der Visitenkarte von Walter Wrobel von der Retina Implant AG in Reutlingen. Dort entwickeln Forscher einen lichtempfindlichen Chip. Dieser soll – unter der Netzhaut angebracht – Menschen, die an einem erblich bedingten Zerfall der Netzhaut leiden, ihr Sehvermögen wiedergeben. Denn bei der Krankheit Retinitis pigmentosa sterben nach und nach die Stäbchen und Zapfen der Netzhaut ab.

Walter Wrobel

Walter Wrobel: „Wenn diese nicht mehr vorhanden sind, das war der eigentliche Ansatz, könnte man sie vielleicht durch einen Kamerachip im Auge ersetzen. Der Kamerachip sollte dann das Licht empfangen, in eine elektrische Anregung umwandeln, die dann über den optischen Nerv ins Gehirn transportiert und dort vom Gehirn erkannt wird.“

Sehen ist ein komplexes Zusammenspiel, bei dem in der Netzhaut – oder Retina – Informationen verarbeitet werden. Zunächst fokussiert die Linse hinter der Pupille das einfallende Licht auf die Retina. An deren hinterem Rand sitzen Fotorezeptoren: die Stäbchen, die für das Schwarz-Weiß-Sehen bei Dämmerung zuständig sind und die Zapfen, die Farbsicht erlauben.

„Augenchirurgen, die täglich mit der Netzhaut umgehen, beschreiben sie von der Konsistenz her als so empfindlich wie feuchtes Toilettenpapier. Und die Retina macht aus den Informationen von 120 Millionen Photorezeptoren Informationen für 1,2 Millionen Ganglienzellen und ist von daher schon ein wunderbarer Bildverarbeitungscomputer.“

Stäbchen und Zapfen

Die verarbeiteten Informationen werden durch eine Schicht von Nervenzellen – die sogenannten Ganglienzellen – und den Sehnerv in den visuellen Cortex der Großhirnrinde geleitet, wo sie zu einer visuellen Wahrnehmung führen. Die Krankheit Retinitis pigmentosa, an der in Deutschland etwa 30.000 Menschen leiden, verläuft so, dass Stäbchen und Zapfen nach und nach zerfallen,…

„…aber die restliche Struktur der Netzhaut immer noch vorhanden ist und eigentlich nur darauf wartet, elektrische Anregung zu bekommen. Und das nutzen wir für unseren Kamerachip aus. Der Chip ist im Grunde eine Spezialentwicklung, beruht auf CMOS-Technologie, das heißt technologisch gesehen entspricht er den Kamerachips, wie sie heute zum Beispiel in Handys verwendet werden. Aber er ist ganz anders aufgebaut: Es sind 1500 einzelne Photodioden auf drei mal drei Millimeter verteilt und neben jeder Photodiode sitzt eine Elektrode. Die Photodiode empfängt Licht, wandelt es in schwache elektrische Energie um, die dann verstärkt wird. Und diese verstärkte elektrische Energie treibt dann die Elektroden an und die Elektroden reizen daraufhin die Netzhaut – jedenfalls das, was von ihr übrig geblieben ist.“

Dargestellt ist ein menschlicher Augapfel. Das Implantat wird auf der Netzhaut platziert und über ein Kabel, das durch die Haut tritt, von außen mit Strom versorgt.
Position des Implantats im Auge

Um Reize in Nervenzellen zu erzeugen, ist es nötig, das elektrische Signal der Elektroden mit einer gewissen Frequenz zu takten. Deshalb werden die Ladungspulse in regelmäßigen Abständen vom Chip an die Nervenzellen der Retina übertragen. Denn…

„…wenn man sich anschaut, was die entscheidende Größe ist, um Nerven zu reizen, dann stellt man fest: Es ist eine gewisse Ladungsmenge, die vorübergehend in den Nerv transportiert werden muss und dann wieder zurückfließt, um einen Reiz hervorzurufen. Das heißt, der gesamte Chip ist so aufgebaut, dass die Elektroden Ladungspulse an die Retina abgeben. Dadurch werden die Nerven der Retina gereizt und dieser Reiz wird dann über den optischen Nerv ins Gehirn transportiert.“

Um nun aus dem einfallenden Licht einen Seheindruck zu erzeugen, muss der Chip unter der Retina platziert werden.

„Das Ganze beginnt also damit, dass außen am Auge ein Einschnitt gemacht wird. Von außen wird unter die Netzhaut Kochsalzlösung eingespritzt. Dadurch löst sich die Netzhaut etwas ab, es bildet sich also eine Art Kochsalzblase. Und in diese Blase hinein wird der Chip geschoben, der auf einem Flachbandkabel sitzt, ein sehr dünnes Kabel aus Polymid. Dieses Flachbandkabel wird eingeschoben. Der Arzt versucht jetzt den Chip möglichst genau zu positionieren. Die optimale Position ist direkt unter der Fovea, also dem Zentrum des scharfen Sehens. Wenn er diese Position erreicht hat, saugt er die Kochsalzlösung wieder ab, die Netzhaut legt sich wieder an und das Flachbandkabel wird von außen am Auge festgenäht. Der Augeninnendruck gewährleistet dann, dass die Netzhaut immer schön an der Oberfläche des Chips anliegt. Und auf diese Weise ist ein sehr guter Kontakt gewährleistet.“

Sehfähigkeit im unteren Prozentbereich

Soll das Signal des Chips die Nervenzellen der Netzhaut reizen, ist eine externe Stromversorgung nötig. In den ersten Tests musste dafür ein Kabel hinter dem Ohr des Patienten austreten, um – verbunden mit einer Batterie – die nötige Energie zur Verfügung zu stellen. Inzwischen kommt der Strom per Induktion.

„Heute benutzen wir eine drahtlose Stromversorgung: In einem Keramikgehäuse, das unter die Haut hinter dem Ohr implantiert wird, ist eine Spule angebracht. Von außen wird nun über eine weitere Spule elektrische Energie übertragen, wie bei einem Transformator. Die Haut bleibt also geschlossen und es gibt keine Infektionsgefahr. Der Patient trägt im Grunde eine Sendespule unauffällig hinter dem Ohr und hat ein kleines Kästchen dabei – etwa so groß wie eine Zigarettenschachtel –, mit der er das Implantat einstellen kann.“

Das Implantat wird auf die Netzhautoberfläche implantiert und ist hier als quadratisches Objekt auf der Netzhaut zu erkennen.
Implantierter Sehchip

Die blinden Patienten werden nie die Sehfähigkeit zurück erlangen, die ein normal Sehender besitzt. Bei Tests, wie sie auch Augenoptiker verwenden, ergab sich aber durch das Implantat eine Sehfähigkeit, die im unteren Prozentbereich liegt. Das kann für die Patienten bereits eine deutliche Erhöhung der Lebensqualität bedeuten.

„Was wir bisher erreicht haben sind 3,4 Prozent. 3,4 Prozent bedeutet, dass man bei einem Landold-C-Ring – also ein C, das etwa fünf Zentimeter groß und sechzig Zentimeter entfernt ist – noch einen kleinen Spalt von etwa zwei bis drei Millimetern im C feststellen kann.“

Die Retina Implant AG ist eine von weltweit nur zwei Institutionen, die erfolgreich klinische Tests an Patienten durchgeführt hat. Mit ihrem Chip konnten die Forscher bereits Erstaunliches zu Wege bringen: Ihre Probanden sind in der Lage, Wörter in großen Buchstaben zu lesen. Sie können Gegenstände erkennen – beispielsweise Besteck auf einem Tisch lokalisieren und unterscheiden – und Personen anhand eindeutiger Merkmale wie einer Brille oder der Form der Frisur identifizieren. Außerdem ist es den Patienten mit dem Implantat möglich, sich in unbekannter Umgebung zu orientieren – zu erkennen, in welche Richtung eine Straße verläuft, ob dort Autos fahren, oder ob ihnen andere Menschen entgegenkommen. Das sind…

„…alles sehr praktische Dinge, über die unsere Patienten sehr glücklich sind, wenn sie das machen können.“