Het vermogen om blinden hun zicht terug te geven is een van de meest ingrijpende genezingsdaden die de geneeskunde kan verrichten, in termen van de impact op het leven van de getroffen patiënt – en een van de moeilijkste voor de moderne geneeskunde om te bereiken. Wij kunnen het gezichtsvermogen slechts in een beperkt aantal gevallen herstellen en er zijn reeds enkele bionische ogen op de markt die in zeer specifieke gevallen een beperkt gezichtsvermogen kunnen herstellen. Onderzoekers hebben mogelijk een dramatische stap gezet om dat in de toekomst te veranderen, met de resultaten van een nieuw experiment om een bionisch netvlies te ontwerpen.
Het onderzoeksteam in kwestie heeft een paper gepubliceerd in Nature waarin de constructie van een hemisferisch netvlies, opgebouwd uit nanodraden met hoge dichtheid, in detail wordt beschreven. De bolvorm van het netvlies is van oudsher een grote uitdaging voor biomimetische apparaten.
Licht komt het oog binnen via de lens, die gebogen is – wat betekent dat het licht dat het netvlies raakt, al gebogen is. Als je een platte sensor gebruikt om het licht op te vangen, is er een intrinsieke limiet aan de mate waarin het beeld kan worden scherpgesteld. Dit lijkt iets waarmee geavanceerde AI zou kunnen helpen, maar de hoeveelheid beschikbare rekenkracht achter in de oogbol is beperkt en de latentie die nodig is om te kunnen zien is vrijwel nihil. Een andere mogelijkheid is het oplossen van het hemisfeerprobleem. Dat is wat Zhiyong Fan, een elektronische en computer ingenieur aan de Hong Kong University of Science and Technology, en de rest van het onderzoeksteam deden.
Ze begonnen met een halve bol van aluminiumfolie (zoals men dat doet). Elektrochemische behandeling veranderde de folie in een isolator bekend als aluminiumoxide, en liet het bezaaid met nanoschaal poriën over zijn dienst. Deze dicht opeengepakte gaatjes werden de kanalen voor de perovskiet nanodraden die de functie van het netvlies zelf nabootsen. Perovskiet wordt gebruikt bij de fabricage van zonnecellen. Zodra de nanodraden waren gegroeid, dekten de onderzoekers het oog af met een kunstlens en vulden het met een ionische vloeistof om het glasvocht in onze eigen oogbal na te bootsen.
Deze ionische vloeistof is belangrijk voor het proces, waardoor de nanodraden licht kunnen detecteren en de signalen kunnen doorgeven aan externe, beeldverwerkende elektronica.
De prestaties van het kunstmatige oog zijn indrukwekkend. Omdat het niet wordt beperkt door de biologische parameters van onze eigen lens, kan het reageren op golflengten van licht tot 800nm. Het menselijk gezichtsvermogen stopt rond 740 mm; kleuren boven deze golflengte lijken voor ons zwart. Als we konden zien bij 800 nm, zouden we in het nabij-infrarood zien (dat wordt beschouwd als 750 – 1400 nm). De verwerkingstijd voor lichtpatronen is ~19ms, oftewel de helft van de tijd van het menselijk oog. Het terugbrengen van de reactiesnelheid van het oog tot 19 ms zou de totale reactietijd van de mens kunnen verminderen – en de beeldverscherping en algehele helderheid van het kunstmatige oog waren beter dan die van de Mark I Eyeball.
Note: Lees dit niet als een commentaar op de aard van beeldsnelheden en of mensen boven een bepaalde beeldsnelheidsdrempel kunnen zien. Gemeten reactie- en hersteltijden van het menselijk oog variëren van 40 ms tot 150 ms. De gemiddelde totale reactietijd van de mens ligt tussen 200 en 250 ms. Uitzonderlijke individuen overschrijden soms deze snelheden; reactietijden van 150 ms zijn niet onbekend.
Kortom, dit kunstmatige netvlies ziet in meerdere opzichten beter dan wij, en voor zover ik weet, is dit de eerste keer dat iets dergelijks is gebouwd. Het nieuwe netvlies mist zelfs een blinde vlek.
The Long Road Ahead
Zoals Scientific American in detail uitlegt, is er nog veel werk te doen voordat een systeem als dit in een functioneel apparaat zou kunnen worden geïntegreerd. Systemen zoals Second Sight (een bedrijf dat we eerder hebben behandeld, zie de link hieronder) integreren direct met de hersenen. Dit kunstmatige netvlies doet dat niet. Het is een proof-of-concept kunstmatig netvlies dat op een dag zou kunnen worden ingezet in een bionisch oog, mits de huidige problemen kunnen worden overwonnen.
Het overwinnen van die problemen zal moeilijk zijn. Het menselijke visuele systeem is geen camera, ook al kan het conceptueel in soortgelijke termen worden beschreven. Het idee dat we zouden profiteren van de mogelijkheden die de sensor biedt, veronderstelt impliciet dat we hem naadloos genoeg met de hersenen kunnen verbinden om deze voordelen tot uiting te laten komen. Omdat er verschillende vormen van blindheid zijn, werken oplossingen die voor de ene soort werken misschien niet voor de andere. Blindheid als gevolg van hersenbeschadiging zal waarschijnlijk niet door een dergelijke oplossing worden verholpen – zelfs met een feilloos kunstoog zullen we niet iedereen weer kunnen laten zien.
Toch is het langetermijnpotentieel hier enorm. Het is minder dan tien jaar geleden dat de eerste kunstmatige sensoren in grijstinten en met lage resolutie op de markt kwamen. Nu proberen we uit te vinden hoe we een aannemelijk superieur systeem kunnen bouwen en het verbinden met de server backend, als u ons de metafoor vergeeft. Hopelijk zien we verdere vooruitgang op dit gebied in de komende tien jaar.
Nu lezen:
- Het eerste echte, hoge-resolutie, door de gebruiker configureerbare bionische oog
- Het verleden, heden en toekomst van bionische ogen
- Het laser-aangedreven bionische oog dat 576-pixel grijstinten zicht geeft aan blinden