Kort antwoord
Het effect van visuele beperking op de hersenen hangt af van het type en de oorzaak van de visuele beperking. Visuele beperkingen door hersenschade zijn lastig te behandelen. Een visuele prothese, een implantaat dat direct hersengebieden stimuleert door middel van elektrische signalen, biedt mogelijk hoop voor blinde mensen om opnieuw vormen en letters waar te nemen.
Langer antwoord
Bij een visuele beperking kan iemand niet of slechts gedeeltelijk zien. Op het moment dat iemand minder dan 10% kan zien van wat we normaal waarnemen, spreken we volgens de World Health Organisation (WHO) van blindheid. Blindheid is een enorme handicap, waar wereldwijd helaas nog zo’n 43 miljoen mensen mee moeten leren leven. Hoewel visuele beperkingen gemeen hebben dat het gaat om een verlies van zicht, is de oorzaak lang niet altijd hetzelfde.
Een anatomisch over-‘zicht’
Voor het beter begrijpen van visuele beperkingen, is een beter over-‘zicht’ van onze hersenen noodzakelijk (zie ook Afbeelding 1)! Het eerste hersengebied waar je mee ziet zijn onze ogen. Je leest het goed: een deel van de ogen zijn al een onderdeel van onze hersenen. Het netvlies achterin onze ogen is de eerste schakel in een reeks aan hersengebieden die licht van de buitenwereld verwerken. Ons netvlies bevat namelijk neuronen (hersencellen) die zelf berekeningen uitvoeren en direct in verbinding staan met de rest van ons brein. Vrijwel alle visuele informatie reist vervolgens door de oogzenuw, kruist daarbij het optisch chiasma en komt aan op het eerstvolgende station: de thalamus. Binnen de thalamus ligt een kleine hersenkern genaamd de Lateral Geniculate Nucleus (LGN), dat uit meerdere lagen van hersencellen bestaat. Deze lagen verwerken verschillende elementen van de visuele informatie. Het eindstation van de visuele informatie is de grote geplooide buitenste laag aan hersenen die we de cortex, of hersenschors, noemen. De cortex is de plek waar we de visuele informatie waarnemen en betekenis geven, in een proces wat we eigenlijk nog lang niet goed begrijpen.
Afbeelding 1: Hersenanatomie van zicht. Licht uit de buitenwereld wordt via de optische lens (optical lens) geprojecteerd op het netvlies (retina) achterin beide ogen. Visuele informatie reist dan via de oogzenuw (optic nerve) via het optisch chiasma (optic chiasma) naar de LGN in de thalamus. Vanuit de LGN gaat deze informatie naar de visuele cortex (primary visual cortex). Visuele informatie vanuit beide ogen komt samen in het optisch chiasma, waar de informatie gescheiden wordt op basis van het visuele veld. Visuele informatie van ons rechter visueel veld (in het blauw; right visual field) wordt na het optisch chiasma verwerkt in onze linker hersenhelft en vice versa. Deze scheiding van informatie zet zich door in de thalamus en cortex. Daarnaast komt visuele informatie ondersteboven aan vanuit onze ogen. Hiervoor corrigeren onze hersenen. Deze afbeelding komt van het BrainFacts boek (2018) van de Society for Neuroscience.
Van bril tot hersenimplantaat
In dit hele proces dat leidt tot ‘zien’, kan van alles fout gaan. Bij sommige visuele beperkingen gaat er al iets mis met de aanvoer van het licht, voordat het op ons netvlies valt. Denk bijvoorbeeld aan afwijkingen van de oogbol en de lens, waardoor je moeite kan hebben met het zien van dingen in de verte (bijziend) of dingen dichtbij (verziend). Dergelijke beperkingen zijn in Nederland tegenwoordig goed op te lossen door een bezoekje aan de opticien: een goede bril op sterkte, contactlenzen en zelfs een laserbehandeling zijn tegenwoordig in een oogopslag geregeld!
De situatie is wat ingewikkelder bij een visuele beperking waarbij er in een van de schakels in onze hersenen zelf iets mis is. Het netvlies kan bijvoorbeeld beschadigd raken door macula degeneratie. De macula (of gele vlek) is het deel van het netvlies dat verantwoordelijk is voor scherp zicht in het midden van ons gezichtsveld. Ook kan schade optreden aan de bloedvaten van het netvlies door suikerziekte (ook wel diabetische retinotopie genoemd). Een andere veel voorkomende oorzaak van blindheid is een glaucoom: een oogziekte die schade veroorzaakt aan de optische zenuw. In al deze gevallen zijn de hersenen zelf aangetast, en het is (voorlopig) onmogelijk om dit eenvoudig te behandelen.
Toch zien we ook voor deze groep blinde mensen voorzichtig licht aan het einde van de tunnel. Bij het Nederlands Herseninstituut werken we namelijk aan het ontwerpen van een visuele ‘prothese’. Een prothese is een kunstmatig hulpmiddel dat een lichaamsdeel vervangt of ondersteund, zoals een kunstgebit, gehoorapparaat of kunstbeen. Een visuele prothese is een implantaat dat chirurgisch rechtstreeks in de hersenen wordt ingebracht om te compenseren voor het gebrek aan visuele informatie. Hersencellen communiceren met elkaar via elektrische signalen (je leest daar hier meer over). Met dit implantaat geven we kleine stroomstootjes in een specifiek deel van de hersenen om zo de missende visuele signalen na te bootsen. Een dergelijk implantaat kan op verschillende punten geplaatst worden binnen de ketting aan hersengebieden die visuele informatie verwerken (Afbeelding 1). Tot de meest succesvolle vormen van een visuele prothese behoren bijvoorbeeld netvliesimplantaten en oogzenuwimplantaten.
De visuele prothese
Binnen de onderzoeksgroep van Pieter Roelfsema werken we aan een corticale visuele prothese die we helemaal achterin de hersenen plaatsen, in de primaire visuele cortex (voor een geheugensteuntje van de schakels in ons visuele systeem, zie Afbeelding 1). Door vele jaren van dier- en later mens-onderzoek weten we dat de primaire visuele cortex een soort kaart van de buitenwereld bevat. Hersencellen in dit gebied reageren namelijk heel nauwkeurig op visuele beelden op een bepaalde plek van ons visuele veld. Zo zijn er hersencellen die reageren als je bijvoorbeeld linksboven een lichtpuntje ziet en andere cellen die reageren als je rechtsonder een ander lichtpuntje ziet. Deze kaart komt goed van pas! We kunnen namelijk stroomstootjes geven aan cellen die elk reageren op een ander stukje van ons visuele veld. Uit onderzoek weten we dat als je deze cellen stimuleert, mensen op precies dezelfde plek in het visuele veld een lichtpuntje zien! Door die lichtpuntjes op een handige manier te combineren kunnen we een vorm van zicht nabootsen.
Afbeelding 2: Een visuele prothese. Beelden van de buitenwereld (in dit geval de letter ‘A’) worden opgevangen door een camera gemonteerd op een bril. Deze camera zet de signalen om in een patroon dat gebruikt kan worden om de cellen te activeren aan de hand van kleine stroomstootjes. Het patroon van stroomstootjes zorgt er vervolgens voor dat blinde mensen de letter ‘A’ waarnemen.
Video 2: Oogbewegingen van een aap met een visuele prothese. De cellen van de visuele cortex van de aap kunnen op zo’n manier worden gestimuleerd dat de aap verschillende letters ‘ziet’ (de aap ziet de groene stipjes op het scherm hier niet, elk groen stipje is één electrode). De aap laat weten welke letter hij ‘ziet’ door een oogbeweging te maken naar die letter en krijgt een beloning elke keer als hij het juist heeft.
Voor het begrip van de visuele cortex en ook het ontwikkelen van een visuele prothese worden vaak apen ingezet. Hun visuele systeem (zoals in Afbeelding 1) lijkt sterk op dat van mensen en we kunnen de dieren trainen om via hand- of oogbewegingen aan te geven wat ze zien. Dit onderzoek heeft ertoe geleid dat ook de eerste succesvolle hersenimplantaten al zijn ingebracht in blinde mensen! Zo was de Spaanse Bernardeta Gomez de eerste persoon met een dergelijk implantaat en gaf ze aan dat ze, net zoals de apen, patronen en letters kon herkennen. Ze was al 16 jaar volkomen blind, maar met het implantaat was ze zelfs in staat om een eenvoudige versie van het computerspel Pacman te spelen.
In vervolgonderzoek aan het Nederlands Herseninstituut werken we aan het verbeteren van een dergelijke visuele prothese. Dit doen we door zowel de hard- als de software te optimaliseren. Zo testen we verschillende materialen voor de implantaten, zodat deze betere plaatjes kunnen opwekken, langer blijven werken en beter zijn voor de hersenen. Ook verbeteren we de algoritmes die beelden van de buitenwereld omzetten in een patroon dat beter te vertalen is voor onze hersenen.
Video 2: Het verbeteren van een visuele prothese. In samenwerking tussen het Nederlands Herseninstituut in Amsterdam en het Donders Instituut in Nijmegen optimaliseren we hoe beelden van de buitenwereld door een prothese het best gebruikt kunnen worden. Zo zet de visuele prothese bijvoorbeeld videobeelden van deze zwemmende pinguïn om in beelden die we kunnen projecteren op de hersenen. De video rechts is wat iemand met een visuele prothese dan uiteindelijk zou kunnen zien.
Een blik op de toekomst
Hoewel we nog lang niet een compleet beeld hebben, denken we dat het onderzoek een veelbelovend licht werpt op de toekomst voor mensen met zware visuele beperkingen. Wat het effect is van een visuele beperking op onze hersenen en hoe we dit kunnen behandelen, is sterk afhankelijk van het type en de oorzaak van de beperking. Dit is afhankelijk van waar in onze ogen en/of hersenen iets mis is in de vele schakels die het samen mogelijk maken om te zien (de oogbol, ons netvlies, de thalamus en de hersenschors). Voor mensen die blind zijn geworden door schade aan de ogen biedt een visuele prothese hoop om vormen en letters weer waar te kunnen nemen!
Meer lezen?
(Nederlands) https://hersenvrienden.nl/actueel/hoe-werkt-de-visuele-prothese/
(Nederlands) https://www.medischcontact.nl/actueel/laatste-nieuws/artikel/blind-zijn-en-toch-zien