Neuartige Konzepte zur Wiederherstellung von Sehleistungen bei Blinden: Hochauflösende Elektroden-Felder mit ultrasensitiven, Graphen-basierten Photodetektoren zur Realisierung neuartiger biomimetischer neuroretinaler Stimulationsparadigmen

• Antragsteller: Professor Dr. Eberhart Zrenner
• Fachliche Zuordnung: Kommunikationstechnik und -netze, Hochfrequenztechnik und photonische Systeme, Signalverarbeitung und maschinelles Lernen für die Informationstechnik ; Medizinische Physik, Biomedizinische Technik
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 531393620

Hintergrund: Elektronische Netzhautimplantate können bestimmte Sehleistungen von Personen, die wegen erblichen Netzhautdystrophien erblindet sind, wiederherstellen. Trotz bemerkenswerter Erfolge in klinischen Studien steht die Technologie noch immer vor zwei großen Herausforderungen: 1) schlechte räumliche und zeitliche Auflösung aufgrund der Verwendung von Elektroden, die zu viele Zellen gleichzeitig aktivieren und die eine geringere technischen Pixeldichte im Vergleich zur Neuronendichte der Netzhautzellen aufweisen, und 2) die geringe Empfindlichkeit und der begrenzte dynamische Bereich der Photodetektoren im Vergleich zu den Photorezeptoren der Netzhaut. Methodik: Um alltagsfähige artefizielle Sehfähigkeit zu realisieren, arbeiten die beiden Projektpartner seit 2020 gemeinsam an neuartigen technischen und neurobiologischen Lösungen für einen Retina-Implantattyp mit einer bisher nicht erreichten räumlichen und zeitlichen Auflösung. Das Kernstück dieses Projekts ist eine hochverdichtete Flower-Pixel-Architektur von Elektroden, die eine neuronale Stimulation auf biomimetische Weise Sakkaden-ähnlich ermöglicht: je ein zentraler Photodetektor, der von sechs Elektroden umgeben ist. Ein Feld von solchen Fotodetektoren sammelt die Bildinformationen, passt sie an, verarbeitet sie und leitet sie dann an die Stimulationseinheit weiter, die sie in “feature”-kodierte elektrische Stimuli umsetzt. Für diese nächste Generation von Netzhautimplantaten werden die folgenden Ziele angestrebt: Ziel 1 - Sensor: Es werden Graphen-basierte Fotodetektoren auf 2D-Materialbasis entwickelt, um die Empfindlichkeit und den dynamischen Bereich der Fotodetektoren auf mindestens 1 bis 10^4 Lux zu erweitern (typischer Beleuchtungsbereich der Netzhaut). Es wird ein Fotodetektor-Array mit 256 Pixeln als Bildsensor bereitgestellt. Ziel 2 - Bildeinheit: Aufbereitung von Sensorbildern: Es wird eine Bildeinheit entwickelt, die aus einer parallelisierten Ausleseschaltung für die neuartigen Photodetektoren und einer emulierten Echtzeit-Signalverarbeitungseinheit besteht, die die Anpassung der Bildinformationen an die Anforderungen der neuronalen Stimulations- und Pixelanreicherungs-techniken ermöglicht. Ziel 3 - Elektrische Stimulation auf Basis von Bildmerkmalen: Ein Chip mit hoher Elektrodendichte (1536 Elektroden; 10 µm Abstand), wird produziert, um eine hohe räumliche Auflösung zu erreichen. Um wahrnehmungsspezifische neuronale Netzhautantworten zu generieren, werden Bildmerkmale zur Modulation der elektrischen Pulse verwendet. Des weiteren werden die Elektroden auf biomimetische Weise Sakkaden-ähnlich aktiviert, um die Auslöschung (“fading”) der Ganglienzellantworten bei repetitiver Stimulation zu verringern. Ziel 4 - Assemblierung der e-Retina: Die vier unabhängigen Einheiten - Photodetektor-Array, Bildeinheit, Stimulationseinheit und Elektroden-Array - werden miteinander verbunden und bilden den funktionell vollständigen e-Retina-Demonstrator.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Schweiz
• Kooperationspartner: Professor Dr. Jürg Leuthold