Ultrageluid

Hoe geluid een blinde weer kan laten zien

Schaalmodel van het oog. Beeld Lex van Lieshout, ANP
Schaalmodel van het oog.Beeld Lex van Lieshout, ANP

Als door een oogaandoening het licht de hersenen niet meer bereikt, kan geluid die rol overnemen. Het principe is aangetoond, bij ratten.

Bas den Hond

Het was maar één letter, en voor de veertien ratten die hem te zien kregen, betekende hij helemaal niets. Maar dat ze hem te zien kregen, was een klein wonder, want het waren blinde ratten, speciaal gefokt om als diermodel te dienen voor aandoeningen als macula-degeneratie en retinitis pigmentosa, oogziekten die wereldwijd tientallen miljoenen mensen treffen.

De staafjes en kegeltjes, de lichtgevoelige cellen in het netvlies van deze ratten, deden helemaal niets meer. Maar de neuronen, zenuwcellen die daaraan gekoppeld zijn en die in verbinding staan met de hersenen, werkten nog wel. En in het laboratorium van Qifa Zhou, hoogleraar biomedische techniek aan de University of Southern California in Los Angeles in de VS, werden die neuronen aan het werk gezet. Door geluid.

Dat is een stap op weg naar een gezichtsprothese die werkt zonder dat je iemand aan het oog hoeft te opereren, zegt Zhou. Een speciale bril met een camera en een geluidsbron moet blinden en slechtzienden weer een blik op de wereld geven.

Ultrasone geluidsgolven

Om te kijken of dat kan werken, bestookte een door Zhou geleide onderzoeksgroep de rattenogen met ultrasone geluidsgolven, geluid met een toonhoogte ver boven wat een mens kan horen. Zulk hoogfrequent geluid kun je goed bundelen en in één punt laten samenkomen. Dat maakte het mogelijk op het netvlies groepjes neuronen te activeren, net zoals licht dat zou doen bij een goed functionerend oog.

Hoe geluid dat in die neuronen precies voor elkaar krijgt, dat heeft de biologie eigenlijk nog niet ontraadseld, zegt Gengxi Lu, een van Zhou’s promovendi die het resultaat van het onderzoek onlangs presenteerde op een congres van de Acoustical Society of America in Seattle.

Dat mechanische druk een neuron in het oog ertoe brengt elektrische signalen naar je hersenen te sturen, is een alledaagse ervaring. Door in je ogen te wrijven of zachtjes tegen een gesloten oog te duwen, kun je bij jezelf al lichtverschijnselen oproepen. De uitdaging voor Zhou was om dat verschijnsel bruikbaar te maken als vervanging voor gewoon zicht.

Voor experimenten op mensen was het nog te vroeg. Je moet terugvallen op dieren. Maar daarmee heb je wel een probleem, want die kun je niet vragen of ze iets zien. Bij de ratten loste Zhou dat op door elektroden in hun brein te planten, in een hersengebied dat de superieure colliculus heet. Daar is de oogzenuw op aangesloten. Door daar elektroden in te planten, kon worden gevolgd wat er in het oog gebeurde. En zelfs als het geluid een patroon op het netvlies projecteerde, bijvoorbeeld de letter ‘C’, was te meten of dat patroon ook goed doorkwam.

Luidsprekers als contactlenzen

Als de techniek het tot een bruikbare oogprothese schopt, wordt dat een bril die is voorzien van een camera en ultrasone luidsprekers die tegen een soort contactlenzen op de oogbol aan zitten. Hoeveel zou een gebruiker daarmee van de wereld kunnen zien?

Om te beginnen wordt het een zwart-wit beeld, zegt Zhou. Er is geen manier om de neuronen zo te activeren dat ze de hersenen vertellen om welke kleur het gaat. Afgezien daarvan is het belangrijkste dat de gebruiker zo scherp mogelijk kan zien, en dat het binnenkomende beeld dus bestaat uit veel afzonderlijke punten. De camera in die bril zal dat wel aankunnen, maar zal het geluid ook de kleinste details naar de neuronen kunnen doorsturen, zonder dat ze in elkaar overvloeien?

De resolutie van het experimentele systeem houdt nog niet over, geeft Zhou toe. Op het netvlies van de ratten bombardeerde de geluidsbundel een rond gebiedje met een diameter van zo’n 250 miljoenste meter. En dat terwijl op het netvlies individuele neuronen van een paar miljoenste millimeter groot op elkaar gepakt zitten. Om een betere resolutie te bereiken, wil Zhou gaan experimenteren met geluidsbundels met een hogere frequentie.

Schokkerig beeld

Bijna net zo belangrijk voor comfortabel kijken is het aantal beelden per seconde dat een ultrasone zichtprothese naar de hersenen kan sturen. Op dat gebied zijn het vooral de neuronen zelf die hun beperkingen hebben. Als ze zijn geactiveerd en hun signaal naar de hersenen hebben gestuurd, is hun chemische batterij leeg en kost het tijd die weer op te laden.

De experimenten lieten zien dat de neuronen het sterkste signaal afgaven als ze ongeveer vijf keer per seconde geactiveerd werden. Maar onze hersenen hebben een veel hogere rekensnelheid, dus die zien bij dat tempo elk beeld afzonderlijk. Iemand die tegenover je zit en praat zal dan heel schokkerig overkomen. Makers van films en videospellen weten: pas bij een beeldfrequentie van 24 beelden per seconde ziet het er vloeiend uit. Bij zo’n hoge beeldfrequentie lieten de neuronen in de rattenogen het echter afweten.

Dat mechanische druk een neuron in het oog ertoe brengt elektrische signalen naar je hersenen te sturen, is een alledaagse ervaring. Door in je ogen te wrijven of zachtjes tegen een gesloten oog te duwen, kun je bij jezelf al lichtverschijnselen oproepen. Op dat principe is het onderzoek gebaseerd. Beeld Colourbox
Dat mechanische druk een neuron in het oog ertoe brengt elektrische signalen naar je hersenen te sturen, is een alledaagse ervaring. Door in je ogen te wrijven of zachtjes tegen een gesloten oog te duwen, kun je bij jezelf al lichtverschijnselen oproepen. Op dat principe is het onderzoek gebaseerd.Beeld Colourbox

Zhou en Lu denken dat in ieder geval gedeeltelijk op te kunnen lossen. Uit hun experimenten blijkt dat de neuronen sterker geactiveerd worden naarmate de toonhoogte van het ultrageluid hoger is. Dat kan de verzwakking compenseren die een hogere beeldfrequentie met zich meebrengt. Tien beeldjes per seconde zouden op die manier toch tot de hersenen moeten kunnen doordringen, zegt Lu.

Hun onderzoek wordt binnenkort gepubliceerd in het vakblad BME Frontiers, en Zhou is octrooi op het systeem aan het aanvragen. Het bedrijf Nanoscope Therapeutics, dat zich tot nu toe vooral bezighield met gentherapie voor blindheid, gaat de techniek in licentie nemen en financiert nieuwe proeven, met konijnen en apen.

Dat maakt Zhou optimistisch over het moment dat een blind persoon, die dat wil en kan betalen, een zichtprothese aangemeten kan krijgen: als de komende experimenten lukken, denkt hij, zou het over een jaar of vijf zo ver kunnen zijn.

Ook in de race: elektriciteit en genen

Met hun ultrasone zichtprothese neemt het team van Qifa Zhou het op tegen een aantal andere technieken.

Een blind persoon kan nu al voorzien worden van een bionisch oog dat het netvlies stimuleert met elektrische spanning. Daarvoor wordt een chip, waarover tientallen elektroden zijn verdeeld, achter het oog geïmplanteerd. Signalen uit een camera worden draadloos naar die chip gezonden en omgezet in een patroon van onder spanning gezette elektroden. Volgens datzelfde patroon worden ook de neuronen in het netvlies actief. Zo’n prothese, de Argus II, wordt op de markt gebracht door het Amerikaanse bedrijf SecondSight. Hij kost zo’n 100.000 euro, exclusief de operatie om hem in het oog te plaatsen. Hij heeft een beperkt blikveld, verdeeld in 60 beeldpunten, dus de gebruiker kan er alleen vage vormen mee onderscheiden.

Een andere aanpak is om zenuwcellen in het netvlies lichtgevoelig te maken, zodat ze de oorspronkelijke fotoreceptoren vervangen. Dat kan met technieken uit de optogenetica: de genen die nodig zijn om cellen op licht te laten reageren worden erin gestopt door een speciaal daarvoor geprepareerd virus. Vorig jaar rapporteerden Franse onderzoekers in vakblad Nature Medicine dat ze een persoon met de erfelijke aandoening retinitis pigmentosa hiermee het zicht deels hadden teruggegeven. Deze moest wel een speciale bril dragen die het binnenkomende licht flink versterkte, want erg gevoelig waren de behandelde neuronen niet.

Helemaal grondig is een manier die de oorzaak aanpakt van functieverlies van het oog. Amerikaanse onderzoekers rapporteerden in 2020 in vakblad Nature dat het hun was gelukt muizen die het gezichtsvermogen waren verloren door glaucoom of veroudering weer goed te laten zien. Dat deden ze door de neuronen in het oog te ‘herprogrammeren’. Ook bij deze methode gebeurde dat door ze te ‘besmetten’ met een speciaal daarvoor aangemaakt virus. De cellen gedroegen zich daarna alsof ze in een nog heel jonge muis zaten, het stadium waarin ze zichzelf nog goed kunnen repareren. De techniek lijkt ook bij menselijke zenuwcellen te werken – maar tot nu toe alleen in een reageerbuis.

Lees ook:

De wetenschapper drukt op een knop en de muis is blij, of juist bang

Met een lichtflits in hun brein kan Karl Deisseroth bij muizen hallucinaties, dorst en levenslust opwekken en weer laten verdwijnen.

Meer over

Wilt u iets delen met Trouw?

Tip hier onze journalisten

Op alle verhalen van Trouw rust uiteraard copyright.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar copyright@trouw.nl.
© 2022 DPG Media B.V. - alle rechten voorbehouden