Fotoreceptor: hoe licht een signaal wordt, biologisch en kunstmatig
Een fotoreceptor is een cel of een technisch onderdeel dat licht kan omzetten in een signaal dat verder verwerkt kan worden. In het menselijk oog zijn dat gespecialiseerde zenuwcellen in het netvlies, de lichtgevoelige laag achterin het oog. Zie het als de pixels van een camerasensor: elke fotoreceptor 'meet' hoeveel licht er op valt en stuurt daarover een berichtje naar de hersenen, die van al die berichtjes samen een beeld constueren.
Het woord duikt tegenwoordig ook op buiten de biologie. Onderzoekers en bedrijven proberen namelijk kunstmatige fotoreceptoren te bouwen: chips die in het oog van blinde mensen worden geplaatst om verloren gegane lichtgevoeligheid te vervangen, en sensoren die geïnspireerd zijn op de manier waarop het netvlies werkt, bedoeld voor camera's in robots en zelfrijdende auto's. Dit artikel gaat over beide: de natuurlijke fotoreceptor als basis, en de technologie die daarop probeert voort te bouwen of die na te bootsen.
Wat is het precies?
In het netvlies zitten twee hoofdtypen fotoreceptoren: staafjes en kegeltjes. Staafjes zijn extreem gevoelig voor licht en doen vooral dienst in schemer en duisternis, maar ze zien geen kleur. Kegeltjes hebben meer licht nodig om te werken, maar zij zorgen wel voor kleurenzicht en scherp zien bij daglicht. Een mens heeft ongeveer 120 miljoen staafjes en 6 miljoen kegeltjes per oog.
Het omzetten van licht in een signaal heet fototransductie. In staafjes zit daarvoor het eiwit rodopsine, in kegeltjes een familie van verwante eiwitten die opsines heten. Wanneer een lichtdeeltje (foton) op zo'n eiwit valt, verandert de vorm ervan. Die vormverandering zet een keten van chemische reacties in gang die uiteindelijk een elektrisch signaal oplevert. Dat signaal wordt via tussenliggende zenuwcellen gebundeld en via de oogzenuw naar de hersenen gestuurd, waar het tot een beeld wordt verwerkt.
Bij sommige oogziekten, zoals retinitis pigmentosa (een erfelijke aandoening) of leeftijdsgebonden maculadegeneratie, gaan staafjes en kegeltjes geleidelijk verloren. De laag zenuwcellen erachter, die de signalen normaal doorgeeft, blijft echter vaak nog een tijd intact. Dat is de opening waar retina-implantaten op inspelen: ze proberen die overgebleven zenuwcellen elektrisch te prikkelen, als vervanging voor de verdwenen fotoreceptoren. Zo'n implantaat wordt meestal subretinaal geplaatst, dat wil zeggen achter het netvlies, op de plek waar normaal de fotoreceptoren zitten. Een variant, zoals bij het PRIMA-systeem, is fotovoltaïsch: kleine lichtgevoelige plaatjes in het implantaat wekken zelf een stroompje op zodra er licht op valt, vergelijkbaar met een piepklein zonnepaneel, en geven dat stroompje door aan de onderliggende zenuwcellen.
Een heel andere technische toepassing is de zogeheten event-based sensor, ook wel dynamic vision sensor (DVS) genoemd. Een gewone camera leest op vaste momenten het hele beeld uit, beeld voor beeld (frame voor frame), ook als er niets verandert. Een event-based sensor werkt meer zoals het netvlies: elke pixel reageert onafhankelijk en alleen op het moment dat de hoeveelheid licht op die plek verandert. Dat scheelt enorm veel overbodige data en levert een extreem snelle reactietijd op, wat nuttig is voor bijvoorbeeld het detecteren van snel bewegende objecten.
Wat wil men ermee bereiken?
Bij retina-implantaten is het doel helder: mensen die door ziekte blind zijn geworden een vorm van functioneel zicht teruggeven. Niet per se scherp zien zoals voorheen, maar bijvoorbeeld genoeg om contouren, bewegingen, deuropeningen of lichtbronnen te onderscheiden. Dat kan al een groot verschil maken voor zelfstandigheid in het dagelijks leven.
Bij event-based visionsensoren ligt het doel anders: niet het herstellen van zicht, maar het efficiënter en sneller maken van machinaal zien. Voor toepassingen als zelfrijdende auto's, drones of industriële robots is het belangrijk om razendsnel te reageren op verandering, terwijl het energieverbruik en de hoeveelheid data laag blijven. Omdat deze sensoren alleen 'melden' wat er verandert, passen ze goed bij die wens.
Onderliggend delen beide onderzoekslijnen een fascinatie: de biologische fotoreceptor is na miljoenen jaren evolutie extreem efficiënt en gevoelig. Door te begrijpen hoe die werkt, hopen ingenieurs zowel medische technologie als kunstmatige intelligentie te verbeteren.
Voorbeelden uit de praktijk
Argus II (Second Sight Medical Products) was het eerste retina-implantaat dat in 2013 goedkeuring kreeg van de Amerikaanse toezichthouder FDA, voor mensen met vergevorderde retinitis pigmentosa. Het bestond uit een implantaat op het netvlies gecombineerd met een brilcamera die beelden draadloos naar het implantaat stuurde. Gebruikers konden er grofweg licht, contouren en beweging mee waarnemen.
PRIMA, ontwikkeld door het Franse bedrijf Pixium Vision, is een fotovoltaïsch subretinaal implantaat gericht op geografische atrofie, een vergevorderde vorm van droge leeftijdsgebonden maculadegeneratie. Het systeem is getest in klinische studies, waaronder de zogeheten PRIMAvera-studie in Europa.
Alpha AMS, van het Duitse bedrijf Retina Implant AG, was een ander subretinaal implantaat met duizenden lichtgevoelige microfotodiodes op één chipje, eveneens bedoeld voor mensen met retinitis pigmentosa.
Op het gebied van event-based sensoren is het Franse bedrijf Prophesee een bekende naam. Het werkte samen met elektronicaconcern Sony om een event-based sensorchip te ontwikkelen en te produceren, met een aankondiging van een gezamenlijke sensor rond 2020-2021, bedoeld voor industriële en consumententoepassingen zoals extreem snelle bewegingsdetectie.
Hoe ver is de techniek?
Retina-implantaten hebben laten zien dat het principe werkt: het is mogelijk om met elektrische prikkels via overgebleven zenuwcellen een vorm van visuele waarneming op te wekken. Maar de praktijk is weerbarstig. Het zicht dat gebruikers ermee krijgen is nog altijd zeer beperkt in vergelijking met normaal zicht, chirurgische ingrepen zijn ingrijpend en duur, en de doelgroep is relatief klein.
Dat heeft financiële gevolgen gehad. Second Sight staakte rond 2019 de productie en ondersteuning van Argus II vanwege geldgebrek, en fuseerde later, rond 2022, met Nano Precision Medical tot Vivani Medical, een bedrijf dat zich sindsdien vooral richt op andere implantaattechnologie, zoals geleidelijke medicijnafgifte, in plaats van op visusherstel. Ook Retina Implant AG heeft zijn commerciële activiteiten op dit vlak in de loop der jaren afgebouwd. Pixium Vision kreeg in de jaren twintig van deze eeuw eveneens te maken met ernstige financiële problemen; wat er precies met de PRIMA-technologie is gebeurd en of, en door wie, de ontwikkeling wordt voortgezet, is op het moment van schrijven niet met zekerheid vast te stellen. Dit patroon laat zien dat de medisch-technische uitdaging weliswaar groot is, maar dat het minstens zo moeilijk is gebleken om zulke implantaten duurzaam commercieel levensvatbaar te maken.
Event-based visionsensoren staan technisch verder in de zin dat de chips al jaren commercieel verkrijgbaar zijn en in specifieke niches worden gebruikt, bijvoorbeeld in industriële inspectie en bepaalde onderzoeksprojecten naar autonome voertuigen. Toch blijft het een nichetechnologie: de meeste camera's, ook in de auto-industrie, gebruiken nog altijd traditionele frame-gebaseerde sensoren, onder meer omdat er meer ervaring, software en standaarden voor bestaan.
Verder weg van toepassing staat onderzoek naar geheel nieuwe materialen voor kunstmatige fotoreceptoren, zoals perovskieten (een groep kristallijne materialen die ook veel onderzocht worden voor zonnecellen). Wetenschappers experimenteren met dit soort materialen om lichtgevoelige onderdelen te maken die tegelijk als sensor en als geheugen kunnen werken, wat nuttig zou zijn voor energiezuinige kunstmatige intelligentie die rechtstreeks op basis van licht 'leert'. Dit onderzoek bevindt zich grotendeels nog in een vroeg, academisch stadium, met resultaten vooral in laboratoriumopstellingen en nog geen rijpe commerciële producten.
Wie werken eraan?
Op medisch vlak zijn en waren bedrijven als Second Sight (nu Vivani Medical, Verenigde Staten), Pixium Vision (Frankrijk) en Retina Implant AG (Duitsland) de bekendste namen achter retina-implantaten, vaak in samenwerking met academische oogklinieken in Europa en de Verenigde Staten die de klinische studies uitvoeren en patiënten begeleiden.
Op het gebied van event-based en neuromorfe visiontechnologie geldt Zwitserland als een van de bakermatten: het Institute of Neuroinformatics, verbonden aan de Universiteit van Zürich en de ETH Zürich, deed al vanaf de jaren negentig baanbrekend onderzoek naar chips die het netvlies nabootsen. Vanuit dat en aanverwant onderzoek in onder meer Parijs ontstond het Franse bedrijf Prophesee, dat inmiddels samenwerkt met grote elektronicabedrijven zoals Sony om deze sensoren op schaal te produceren.
Daarnaast doen universiteiten wereldwijd, onder meer in de Verenigde Staten, China en Europa, fundamenteel onderzoek naar nieuwe materialen voor kunstmatige fotoreceptoren en optoelektronische chips voor neuromorphic computing, een onderzoeksrichting waarbij chips zo worden ontworpen dat ze qua werking dichter bij het brein en het zenuwstelsel staan dan klassieke computerchips.