Neurowissenschaften Wenn blinde Menschen „sehen“ lernen

Daniel Kish ist vollständig blind. Noch bevor er zwei Jahre alt wurde, mussten Ärzte ihm wegen einer Krebserkrankung beide Augen entfernen. Heute sieht man den mittlerweile 50-Jährigen auf seinem Fahrrad im Straßenverkehr oder sogar beim Mountainbiking. Dabei hat er keinerlei Probleme Hindernisse zu umfahren oder sich in der Wildnis zu orientieren. Wie macht er das? Die Antwort ist so einfach wie erstaunlich: Er navigiert mit Hilfe von Echoortung. Das kennt man vielleicht von Fledermäusen. Diese nutzen Echoortung, um ihre nur wenige Zentimeter große Beute aus der Luft zu fangen. Kish, den seine Freunde auch „Bat-Man“ nennen, schnalzt mit der Zunge, um Schallwellen zu erzeugen. Treffen die Wellen auf ein Hindernis, werden sie von diesem reflektiert. Anhand des Echos macht Kish sich ein räumliches „Bild“ der Umgebung, die Entfernung zu einem Hindernis kann er durch die Laufzeit der Schallwellen ermitteln. Ebenso kann er mit den Klick-Echos die Richtung sowie die Größe von Hindernissen abschätzen. Echolot- und Radartechnik, wie man sie von U-Booten und Flugzeugen kennt, basieren auf demselben Prinzip.

Erfahrene Nutzer der Echoortung wie Daniel Kish sind für Neurowissenschaftler extrem interessant: Obwohl sie das Signal mit dem Gehörsinn detektieren, verarbeiten sie die Information mit dem Teil des Gehirns, der für das Sehen verantwortlich ist. Dadurch entsteht bei ihnen ein Sinneseindruck, der eher einem Bild als einem Geräusch gleicht. Die „Fledermaus“-Menschen „sehen“ damit die Umwelt gewissermaßen über das Gehör. Allerdings hat sich die Echoortung noch nicht so schnell verbreitet, wie man denken oder hoffen könnte. Dies liegt zum Teil an den Limitierungen dieser Technik. Fledermäuse können Frequenz und Länge ihrer Ortungsrufe modulieren und dadurch die Laute je nach Bedarf anpassen. Blinde Menschen jedoch haben keine speziell ausgebildeten Organe zur Erzeugung hochfrequenter Schallwellen. Mit Zungenklicks kann man nur einen einfachen Ton und keine komplexen Frequenzmuster erzeugen. Zudem kann es schwierig sein, die eigenen Echos bei lauter Geräuschkulisse zu hören, zum Beispiel im Lärm einer Stadt. Diese Probleme können mit einem einfachen Trick umgangen werden: mit Ultraschall. Bessere Reflektionseigenschaften und geringer Nachhall ermöglichen eine weitaus höhere räumliche Auflösung der Echosignale. Außerdem ist unsere Umwelt ist im Ultraschallbereich sehr leise, daher sind bei diesen Frequenzen keine Störsignale zu erwarten. Leider können Menschen solch hochfrequente Schallwellen weder hören noch produzieren. Es ist jedoch mit geeigneter Technik möglich, Ultraschallwellen zu senden und deren Echos durch Frequenzhalbierung in hörbare Signale zu übersetzen.

Anfänglich navigierte ich mit verbundenen Augen über den Campus, um die Funktion des „Sonic Eye“ selbst zu testen. Später habe ich sehende Probanden den Prototyp im stationären Einsatz testen lassen. Die Resultate waren verblüffend: Ungeübte Testpersonen konnten die relative Position von Objekten sowie ihre laterale Position und Distanz problemlos bestimmen. Die Höhe zu bestimmen ist hingegen etwas schwieriger und erfordert rund 20 Übungsstunden mit dem „Sonic Eye“. Menschen haben also einen Sinn für Echoortung, der aber meistens durch das Sehen überdeckt wird. Blinde Menschen können sehr wahrscheinlich aufgrund ihres sensitiveren Hörsinnes noch mehr Informationen aus den Echos extrahieren und zum Beispiel Materialeigenschaften oder Oberflächenstrukturen akustisch bestimmen.

Mittlerweile ist unser „Sonic Eye“ zu einem „Shooting Star“ geworden. Wir haben den Prototyp auf zahlreichen öffentlichen Universitätsveranstaltungen und auf einer Erfindermesse vorgestellt, der „Maker Fair“ in San Francisco. Zudem nahm unser Team an einem Businessplan-Wettbewerb teil und erhielt finanzielle Unterstützung zur weiteren Entwicklung und Anwendung. Derzeit fokussieren wir uns darauf, den Prototyp zu miniaturisieren und benutzerfreundlicher zu gestalten, damit blinde Probanden in naher Zukunft unser neues „mini Sonic Eye“ testen können.

Chancen der Gentherapie

Das „Sonic Eye“ ist ein gutes Hilfsmittel für Menschen, die blind geboren und in deren Gehirn die für das Sehen notwendigen Strukturen und Verbindungen nicht geprägt worden sind. Erblindet ein Mensch jedoch erst im Laufe seines Lebens, gibt es die Möglichkeit den Sehsinn tatsächlich wiederherzustellen – zumindest in begrenztem Maße. Dies wurde vor kurzem mit Hilfe von Neuroprothesen demonstriert, deren Einsatz jedoch kostenaufwendig und sehr invasiv ist. Zudem ermöglichen die Prothesen nur eine geringe Bildauflösung, die etwa der einer Digitalkamera mit 60 Pixeln entspricht. Ein gesundes menschliches Auge hingegen hat mehrere Millionen Pixel. Ich wollte daher einen biologischen Therapieansatz entwickeln mit dem Ziel, die Nervenzellen blinder Augen in lichtsensitive „Pixel“ zu verwandeln.

Um diesen Ansatz zur biologischen Heilung testen zu können, fertigte ich im Rahmen meiner Doktorarbeit zunächst spezielle molekulare Werkzeuge an. Ich konstruierte fotochemische Lichtschalter, welche die Proteine in Nervenzellen durch Licht aktivieren können. Um diese Lichtschalter in das Erbgut der Zielzellen zu übertragen, entwickelte ich für Menschen harmlose therapeutische Viren. Sie sind quasi wie Postboten und bringen die Bauanleitung für die Lichtschalter zu den Nervenzellen. Die Zellen der Retina sind extrem langlebig, deshalb genügt eine einmalige genetische Neuprogrammierung. Die im Laufe der Zeit beschädigten Lichtschalter können allerdings im Bedarfsfall leicht erneuert werden. Durch das Zusammenspiel von Fotochemie und Gentherapie ist eine präzise und optimale Anpassung der Therapie an die individuellen Bedürfnisse der Patientinnen und Patienten einfach zu realisieren.

Meinen Therapieansatz konnte ich selbstverständlich nicht direkt an Patienten testen und wählte deshalb blinde Mäuse für meine Experimente, die ebenfalls an Retinitis Pigmentosa erkrankt waren. Ich behandelte die Mäuse mit den therapeutischen Viren und machte dabei eine Reihe interessanter Entdeckungen. Die Retinae der blinden Mäuse konnten die neuen Lichtschalter integrieren und waren danach wieder lichtempfindlich. Zudem antwortete der visuelle Teil des Gehirns auf die Lichtsignale: Die Nervenbahnen vom Auge zum neuronalen Kortex schienen also die Lichtsignale zu leiten. Anhand visueller Tests konnte ich zudem zeigen, dass die vorher erblindeten und von mir behandelten Mäuse Lichtsignale und bewegte Muster wieder verarbeiten und verstehen konnten, und zwar beinahe so gut wie gesunde Mäuse. Die blinden Mäuse lernten also wieder Sehen!

In meiner Dissertation habe ich zwei komplementäre Ansätze zur Therapie blinder Menschen erforscht. Echoortung ist speziell für Menschen geeignet, die blind geboren wurden oder früh erblindet sind. Das „Sonic Eye“ bedarf keinerlei operativen Eingriffs und unterliegt deshalb auch keiner strikten medizinischen Regulation. Es ersetzt allerdings auch nicht den Sehsinn, sondern dient als Navigationshilfe. Gentherapie hingegen ist ein biologischer Ansatz zur Heilung erblindeter Menschen und könnte in absehbarer Zukunft den Sehsinn zumindest in rudimentärer Form wiederherstellen. Meine Resultate zeigen, dass dies bei blinden Mäusen in der Tat möglich ist, auch wenn es wohl noch einige Jahre dauern wird, bis die Gentherapie im Rahmen einer klinischen Studie an blinden Menschen getestet werden kann. Bis dahin ist es durchaus sinnvoll, die Entwicklung nicht-invasiver Hilfsmittel für Blinde voranzutreiben. Die technische Realisierung des „Sonic Eye“ ist deshalb bereits im Gange.