Europa gaat onderzoek doen om een hersenprothese te maken die het gezichtsvermogen van blinden en slechtzienden herstelt. De prothese bestaat uit duizenden elektroden in de hersenen die elk een specifiek hersengebied kunnen stimuleren. Het comfortabele (licht, elegant) apparaat registreert oogbewegingen om na te gaan waar iemand naar kijkt. Een camera registreert het beeld. Een binnen het project ontwikkelde computer bepaalt het stimulatiepatroon op basis van een met machine-learning getraind neuraal netwerk. Het interdisciplinaire onderzoek wordt uitgevoerd door een consortium van zeven onderzoeksinstituten uit Nederland (2) en vier andere landen. Het onderzoek heeft een budget van vier miljoen euro afkomstig van de Europese Unie.
In een project onder Horizon 2020 gaan onderzoekers van zeven Europese organisaties onderzoeken hoe het zicht van slechtzienden kan worden hersteld met elektrische stimulatie van de hersenen. Het project wordt gecoördineerd door de Universiteit van Zürich en ondersteund door de Europese Unie met een financiering van 4 miljoen euro.
Om financiering van de Europese Unie te ontvangen, moet het onderzoeksproject excellente wetenschap omvatten op innovatieve en veelbelovende interdisciplinaire onderzoeksgebieden die nieuwe en relevante ideeën opleveren voor de industrie en de samenleving.
Het internationale project Neural Active Visual Prosthetics for Restoring Function voldoet aan al deze criteria en heeft een EU-onderzoekssubsidie ontvangen van in totaal 4 miljoen euro over vier jaar. Het project gaat van start op 1 september 2020 en wordt gecoördineerd door Prof. Shih-Chii Liu aan het Institute of Neuroinformatics van de Universiteit van Zürich.
Het project zal werken in interdisciplinaire teams van zeven Europese universiteiten en instellingen met complementaire expertise op het gebied van computationele systemen en klinische neurowetenschappen, materiaaltechniek, microsystemenontwerp en deep learning. Doel van het project is technologie ontwikkelen om het gezichtsvermogen van blinden te herstellen door elektrische stimulatie van de hersenen.
Nauwe interdisciplinaire samenwerking
Het doel van het project is om een neuroprothese te ontwikkelen met duizenden elektroden aangedreven door adaptieve machine learning-algoritmen voor een nieuwe hersencomputer-interfacetechnologie. “We willen een nieuw neuroprothesesysteem creëren dat lichtgewicht, robuust en draagbaar is en dat tientallen jaren effectief zal blijven”, legt Shih-Chii Liu uit. Huidige systemen stimuleren slechts een klein aantal neuronen in de hersenen en interfaces hebben een levensduur van slechts enkele maanden.
Liu is ervan overtuigd dat het project in zijn doelstellingen zal slagen: “Alle partners hebben jarenlange ervaring in hun respectievelijke vakgebieden, dus de vereiste achtergrondkennis is al aanwezig. De doorbraken zullen komen met de geplande grootschalige inspanningen en partnerinteracties in dit project. De uitdaging is het coördineren van de verwachte doorbraken in meerdere disciplines”.
Deze doorbraken omvatten innovatieve benaderingen voor stimulatie met een hoog aantal elektroden als interface met de visuele cortex. Hiervoor zijn dunne flexibele sondes nodig die minimale weefselschade veroorzaken, evenals nieuwe elektrodebekledingen en nieuwe microchip-methoden. De onderzoekers zullen de stimulatiestromen ook leiden naar vele duizenden elektroden en de neuronale activiteit in hogere corticale gebieden volgen.
Er worden ook doorbraken verwacht als het gaat om kunstmatige neurale netwerken die zijn getraind door deep learning, die alleen de meest relevante visuele informatie uit een camera-ingang zullen halen om blinde personen in staat te stellen objecten en gezichtsuitdrukkingen te herkennen en door onbekende omgevingen te navigeren. Deze netwerken transformeren de camerabeelden in stimulatiepatronen die de neuronen drijven op een manier die de blinde persoon kan interpreteren. Dit is de enige manier waarop de signalen kunnen worden verwerkt en doorgegeven. Tegelijkertijd zal eye-tracking worden gebruikt om de perceptie te verbeteren in een gesloten benadering.
Algoritme vertaalt stimulatiepatronen
Naast het coördineren van het project, draagt de Universiteit van Zürich ook bij door middel van haar technologische expertise. Het neuro-informaticateam van Shih-Chii Liu en Tobi Delbruck zal samenwerken met consortiumpartners om energie-efficiënte neuromorfe deep learning-hardware en -algoritmen te ontwikkelen. Het netwerk dat op de neuromorfe hardware is geïmplementeerd, zal de camera-invoer vertalen in stimulatiepatronen om de stimulatie-elektroden aan te drijven.
“Dit onderzoeksproject is belangrijk omdat het baanbrekend werk levert voor het construeren van een nieuwe hersen-neuroprothese en het levert andere voordelen op voor ander neuroprothese-onderzoek”, zegt Liu. De betrokken onderzoekers hopen dat het project Europa’s nog relatief lage zichtbaarheid op dit onderzoeksgebied zal vergroten.
De zeven partners van het project
Het internationale Neural Active Visual Prosthetics for Restoring Function (NeuraViPeR) -project brengt wetenschappers van de Universiteit van Zürich, de Universiteit van Freiburg (Duitsland), het Nederlands Instituut voor Neurowetenschappen – KNAW, Stichting Katholieke Universiteit (Nederland) en de Miguel Hernández Universiteit van Elche (Spanje). Het Vlaamse onderzoeksinstituut IMEC / IMINDS en het Nederlandse bedrijf Phosphoenix zijn ook betrokken bij het project, dat een totaal budget heeft van 3.999.991 euro.
Samenvattting Dick Schrauwen