Herstel en revalidatie van visuele informatie via sensorische substitutietechnologie bij kinderen

Objectief:

Ons doel is om te bepalen of de functionele verbeteringen die worden gezien bij blinde proefpersonen die de BrainPort gebruiken, kunnen worden gerealiseerd in een pediatrisch cohort.

Specifieke doelstellingen:

Het doel van dit voorstel is het evalueren van een niet-chirurgische visuele prothese (BrainPort vision device) die blinden in staat stelt hun directe omgeving te waarderen en te bepalen hoe de hersenen de informatie interpreteren. Ons belangrijkste doel is om te bepalen of het apparaat kan worden gebruikt in een pediatrische populatie door de verbetering van de proefpersonen ten opzichte van de basislijn te meten op een van de volgende gebieden: lichtdetectie, lichtlokalisatie, bewegingsperceptie en gestandaardiseerde objectherkenningstaken na gebruik van de BrainPort .

Als tweede doel zullen de onderzoekers een multimodale MR-scansessie gebruiken om de neurofysiologische basis van sensorische substitutie bij kinderen te bestuderen. Met dit doel zullen de onderzoekers twee hoofddoelstellingen nastreven. Eerst zullen de onderzoekers de gedragsgegevens correleren met de beeldvormingsgegevens om hersengebieden te detecteren waar structuur en/of functie geassocieerd zijn met succesvol gebruik van sensorische substitutie-apparaten. Ten tweede zullen de onderzoekers deze gegevens samen met eerder verzamelde gegevens voor volwassenen gebruiken om de effecten van eerdere visuele ervaringen op de plasticiteit van de visuele cortex als gevolg van blindheid te modelleren.

Achtergrond:

Het BrainPort-zichtapparaat is een visuele prothese die is ontworpen voor mensen die blind zijn. Het maakt perceptie van visuele informatie mogelijk met behulp van de tong en het camerasysteem als gepaarde vervanging voor het oog. Visuele informatie wordt verzameld van een videocamera en vertaald in zachte elektrische stimulatiepatronen op het oppervlak van de tong. Met training nemen gebruikers de vorm, grootte, locatie en beweging van objecten in hun omgeving waar. Het is een functioneel, niet-chirurgisch apparaat dat is ontwikkeld om te demonstreren als hulpmiddel voor slechtzienden.

Tactiele sensorische systemen hebben bewezen in staat te zijn om informatie naar de hersenen te brengen die meestal visueel wordt verkregen. Braille en de lange stok verschaffen al tientallen jaren dergelijke informatie aan blinden, en in de jaren '60 werd duidelijk aangetoond dat tactiele invoer toegang kon verschaffen tot geschreven drukwerk1 en visuele beelden2. De belangrijkste beperking voor de ontwikkeling van praktische visievervanging was de ontoereikendheid van de interfaces tussen hersenen en machines. Vijfendertig jaar geleden schreef Paul Bach-y-Rita, MD: "Dat een succesvol sensorisch substitutiesysteem momenteel niet in gebruik is, is misschien niet te wijten aan beperkte functionele mogelijkheden van de hersenen; het kan te wijten zijn aan het feit dat een kunstmatig receptorsysteem is nog niet gebouwd om het aanpassingsvermogen van het menselijk brein uit te dagen"3.

BrainPort Vision Device Sinds 1998 richt Wicab zich op biomedisch technisch onderzoek en ontwikkeling van commerciële apparaten op basis van zijn gepatenteerde BrainPort®-technologie4. Het BrainPort-zichtapparaat is een visuele prothese die is ontworpen voor mensen die blind zijn.

Talrijke eerdere studies ondersteunen het gebruik van de tong als sensorisch vervangingskanaal2,3,5-8. Ons onderzoek en dat van anderen heeft aangetoond dat de hersenen informatie van een sensorisch vervangend apparaat correct kunnen interpreteren, zelfs wanneer de informatie niet in hetzelfde pad wordt gepresenteerd als het natuurlijke sensorische systeem. Het optische beeld dat daadwerkelijk door het oog wordt ontvangen, gaat bijvoorbeeld niet verder dan het netvlies, dat het beeld omzet in spatio-temporele patronen van actiepotentialen langs de optische zenuwvezels. Door deze impulspatronen te analyseren, recreëren de hersenen het beeld. Deze impulsen zijn niet uniek voor visie. In feite coderen alle sensorische systemen informatie met dezelfde 'taal': neuronale actiepotentialen. Gebruikmakend van het visievoorbeeld als paradigma, vereist sensorische substitutie alleen dat actiepotentialen nauwkeurig worden meegevoerd in het alternatieve sensorische informatiekanaal. Met training kunnen de hersenen leren om informatie van het alternatieve kanaal op de juiste manier te interpreteren en die informatie vervolgens op dezelfde manier te verwerken als gegevens van het intacte natuurlijke zintuig. Daarom komt deze technologie gebruikers ten goede door de tong te stimuleren met bruikbare informatie over hun omgeving, die volgens sommige gebruikers lijkt op visie.

Hoewel BrainPort-technologie de tong stimuleert via de elektrode-array, is de stimulatie helemaal niet pijnlijk; een BrainPort-apparaat zendt slechts 11,85 µJ per puls uit (wettelijke limiet voor huid-elektrische stimulatieapparaten: 300 mJ). Gebruikers melden zelfs vaak dat het gevoel is als champagnebellen die bruisen op de tong. Deelnemers die BrainPort-apparaten gebruiken, of ze nu enkele uren per dag gedurende een paar weken of gedurende 20 minuten per dag gedurende een jaar gebruiken, melden geen ongemak.

Er is weinig werk verricht met behulp van beeldvorming om blinde kinderen te bestuderen. Werth en Seelos gebruikten fMRI om opgewekte activiteit in de visuele cortex van kinderen te meten als bewijs van visuele functieverbetering na veldtraining (Neurpsychologica. 2005. 43(14): 2011). Voor zover wij weten, is er echter nog geen beeldvorming van blinde kinderen gedaan om de plasticiteit van de visuele cortex op zo'n jonge leeftijd te beoordelen. Op korte termijn kan beeldvorming van deze proefpersonen ons vermogen verbeteren om te screenen op patiënten die baat zouden kunnen hebben bij apparaten voor sensorische substitutie, en om trainingsparadigma's te evalueren. Op de lange termijn zal het begrijpen van plasticiteit als gevolg van visuele deprivatie belangrijk zijn, niet alleen voor sensorische substitutie, maar voor alle strategieën voor het herstellen van het gezichtsvermogen om proefpersonen te identificeren die nog steeds in staat zijn visuele input te verwerken. Terwijl de onderzoekers proberen de effecten van eerdere visuele ervaring op plasticiteit in de visuele cortex na blindheid te modelleren, vertegenwoordigen kinderen een uniek en essentieel deel van het monster om de relatieve effecten van blindheidsduur en vroege versus late verwerving uit elkaar te halen.

Het BrainPort-apparaat is sinds juni 2015 goedgekeurd door de FDA.

Betekenis:

Het BrainPort-zichtapparaat is een visuele prothese die is ontworpen voor mensen die blind zijn. Het maakt perceptie van visuele informatie mogelijk met behulp van de tong en het camerasysteem als gepaarde vervanging voor het oog. Visuele informatie wordt verzameld van een videocamera en vertaald in zachte elektrische stimulatiepatronen op het oppervlak van de tong. Met training nemen gebruikers de vorm, grootte, locatie en beweging van objecten in hun omgeving waar. Het is een functioneel, niet-chirurgisch apparaat dat is ontwikkeld om te demonstreren als hulpmiddel voor slechtzienden. Het BrainPort-zichtapparaat is de enige nieuwe technologie die waarschijnlijk op korte termijn beschikbaar zal zijn om veiligheids- en mobiliteitsproblemen als gevolg van blindheid aan te pakken.

Onze resultaten hebben aangetoond dat het gebruik van de BrainPort resulteert in gedragsverbeteringen en activatie in visuele corticale gebieden met behulp van fMRI- en PET-scans bij volwassenen. Een onderzoek dat probeert vast te stellen of functionele vermogens ook kunnen worden verbeterd in een pediatrisch cohort, is gerechtvaardigd om de volgende redenen:

1. Neuroplasticiteit is het hoogst in de kindertijd en de visueel achtergestelde hersenen zijn waarschijnlijk het meest ontvankelijk voor alternatieve sensorische stimulatie in deze leeftijdsgroep.
2. De BrainPort is niet-invasief.
3. Behalve gentherapie voor Leber's congenitale amaurosis, zijn er op dit moment geen alternatieven voor het herstel van het gezichtsvermogen van blinde kinderen.
4. De BrainPort heeft al een CE-markering en is in afwachting van goedkeuring door de FDA (definitieve veiligheidsstudiedocumenten ingediend bij de FDA in augustus 2013), en zou tegen 2014 beschikbaar moeten zijn voor aankoop, in ieder geval in Europa en Canada. Of het apparaat nuttig zou kunnen zijn bij een pediatrische populatie, is een belangrijke klinische vraag.
5. De verhouding tussen het verwachte voordeel en het risico van de studie is minstens zo gunstig voor de proefpersonen als de beschikbare alternatieve benaderingen (blinde training).