Adaptive Optics and Vision Laboratory Bonn, AOVisionLab Bonn

Universitäts-Augenklinik Bonn,
Department of Ophthalmology, University of Bonn
Leitung: Dr. rer.nat. Wolf Harmening

Das AOVision Lab ist ein Forschungslabor der Universitäts-Augenklinik in Bonn, gefördert durch das Emmy Noether-Programm der Deutschen Forschungsgemeinschaft. Wir setzen bildgebende Verfahren basierend auf adaptiven Optiken ein, um hochauflösende Bilder der lebenden menschlichen Netzhaut zu erzeugen und damit einen direkten experimentellen Zugang zu menschlichem neuronalem Gewebe mit zellulärer Präzision zu schaffen.

Durch schnelle akusto-optische Lichtmodulation mit hohem Kontrast und einer Echtzeitkompensation von Augenbewegungen sind wir in der Lage, einzelne Photorezeptorzellen gezielt anzusteuern, zu verfolgen und zu stimulieren, um das menschliche Sehsystem extrem präzise psychophysikalisch und nicht-invasiv zu untersuchen. Auf diese Weise gewinnen wir Einblicke in die grundlegenden Bausteine der komplexen Neuroarchitektur der menschlichen Netzhaut und des Sehsinns, und wie diese bei Erkrankungen der Netzhaut verändert sind.

zur Website

Forschung & Methoden


Photorezeptorgenaue Psychophysik

Das Photorezeptor-Mosaik eines menschlichen Auges ist so einzigartig wie ein Fingerabdruck. Jede Zelle dient als individueller Lichtdetektor, der anhand struktureller Informationen wie Dichte, Regelmässigkeit, Grösse usw. quantifiziert werden kann.

Projektleiter Dr. Wolf Harmening

Unser Verständnis des Sehapparates und dessen Erkrankungen ist maßgeblich durch Schlüsselentwicklungen in der ophthalmologischen Bildgebung bestimmt. So ist zum Beispiel die Anwendung einer niedrig-kohärenz Interferometrie in der Bildgebung von entscheidender Bedeutung für die Entwicklung der Optischen Kohärenz Tomographie (OCT) gewesen. OCT Technik hat die ophthalmologische Forschung und klinische Vorgehensweise revolutioniert.  Neueste Fortschritte in der Wellenfrontmessung und –korrektur machen es heute möglich, einzelne Photorezeptoren der Netzhaut im lebenden Auge in Echtzeit darzustellen.

Dies wurde insbesondere duch den Einsatz von adaptiven Optiken ermöglicht – eine Technologie die der Astronomie entliehen wurde, wo sie die Auflösung von Spiegelteleskopen maximiert. Das adaptive Rasterlaserophthalmoskop (AOSLO) ist die nächste Spitzentechnologie, die es Medizinern und Grundlagenforschern ermöglichen wird die Netzhaut mit extremer Detailschärfe sichtbar zu machen, und ihre Funktion auf der Ebene einzelner Nervenzellen im lebenden Auge zu untersuchen. Das Ziel dieses Antrages ist es, die AOSLO Technologie in einer klinisichen Umgebung zu etablieren. Dadurch können Krankheitsverläufe früher als bisher erkannt und pharmakologische Intervention auf Zellebene bewertet werden.

Durch die AOSLO Technologie kann ausserdem bei der Evaluierung der Wirksamkeit neuer Behandlungsstrategien der Rückgriff auf Tiermodelle verringert und auf langwierige und dadurch ineffiziente histologische Untersuchung verzichtet werden. Der mikroskopische Zugang zu einzelnen Neuronen im lebenden Gewebe stellt ein Quantensprung in der Sehforschung dar, und wird neue Wege in der Grundlagenforschung und klinischen Forschung des Sehens eröffnen.

Wir untersuchen, wie diese Metriken mit der visuellen Wahrnehmung zusammenhängen.

Finanzierung
Advanced adaptive optics instrumentation for ophthalmic imaging and function testing: the single cell approach to visual function and dysfunction
PI: Wolf Harmening; German Research Foundation, DFG (Ha 5323/5-1)
Budget: 2.1Mio EUR

High-contrast single cell micro-stimulation with adaptive optics (HC-AOSLO)
PI: Wolf Harmening; Carl Zeiss Förderfonds, Budget: 60k EUR

Scotopic adaptive optics scanning laser ophthalmoscopy (Scotopic-AOSLO)
PI: Wolf Harmening; Gertrud Kusen Stiftung, Hamburg, Budget: 76k EUR


Zelluläre Biomarker der Netzhautfunktion

Projektleiter Dr. Wolf Harmening

Aktuelle klinische Bildgebung und Funktionstests können kleine aber bedeutende physiologische Änderungen der Netzhaut im Verlauf neurodegenerativer Prozesse nur ungenügend genau darstellen um damit neue gentherapeutische Interventionsansätze in einem geeignetem Zeitrahmen zu evaluieren. Durch ein neu entwickeltes, zellgenaues Verfahren zur Darstellung und Stimulation einzelner Photorezeptoren der menschlichen Netzhaut (AOSLO) soll diese Lücke geschlossen werden.

Neuro-degenerative Prozesse gehen mit einem Funktionsverlust der Photorezeptoren einher (z.B. deren Lichtempfindlichkeit), die möglicherweise vor sichtbaren Veränderungen zellulärer Strukturen (z.B. Rezeptorenverlust) beginnen. Wir werden zellgenaue Funktionstest mit adaptiven Optiken entwickeln, die den Zusammenhang zwischen Netzhautstruktur und –funktion auf elementarer Ebene, Sehzelle für Sehzelle, aufklären können.

Die Ergebnisse AOSLO-gestützter Tests können als empfindliche Biomarker retinaler Intergrität dienen, und den Verlauf von Netzhauterkrankungen besser als bisher beschreiben und während neuer Behandlungsstrategien im Patienten direkt verfolgt werden. Wir werden unseren Ansatz den Mitgliedern des SPP als methodische Platform zur Verfügung stellen, so dass neue gentherapeutische Ansätze direkt und in Echtzeit in behandelten Probanden getestet werden können.   

https://www.spp2127.de/


Dechiffrierung der elementaren Bausteine visueller Erscheinungsweise

Aufgrund andauernder Augenbewegung treffen visuellen Stimuli im Laufe der Zeit auf viele Photorezeptoren, und dennoch entsteht eine kohärente visuelle Wahrnehmung ohne Bewegungseindruck.

Projektleitung: Dr. Wolf Harmening, Prof. Dr. Bilge Sayim (University of Lille)

Sehen ist das Resultat einer komplexen Serie physikalischer und physiologischer Vorgänge. Viele einzelne Prozesse visueller Signalverarbeitung sind bisher gut untersucht, aber das Verständnis vom direkten Zusammenhang zwischen physikalischem Reiz und seiner Wahrnehmung ist bis heute eine der Hauptaufgaben visueller Neurowissenschaften. Die Aktivierung des Mosaiks der Photorezeptoren der Netzhaut ist das initiale visuelle Signal. Diesen Vorgang im intakten, wahrnehmenden Gewebe isoliert zu untersuchen ist allerdings problematisch, da normalerweise immer eine Vielzahl von Zellen gleichzeitig gereizt werden, das Auge optisch nicht perfekt und in ständiger Bewegung ist. Mikrostimulation mit adaptiven Optiken sind heute so weit entwickelt, dass eine isolierte funktionelle Testung einzelner Photorezeptoren im lebenden Auge möglich wird.   

Welche Rolle spielt der einzelne Photorezeptor während des Sehens? Wie sieht man mit nur einem Rezeptor, und stellt diese elementare Wahrnehmung den Baustein für das Sehen auch unter normalen Bedingungen dar? Im vorliegenden Projekt werden wir diese Fragen durch die Stimulation einzelner (und Gruppen von) Photorezeptoren und der Messung ihrer perzeptuellen Konsequenz – der visuellen Erscheinungsweise – direkt beantworten. Der Zusammenhang zwischen mikroskopischer Einzelzellaktivität und subjektive Erscheinungsweise ist bislang kaum untersucht. Aber auch auf makroskopischer Ebene, beim Sehen räumlich ausgedehnter Stimuli, fehlen uns wesentliche Einsichten. Dies liegt hauptsächlich daran, dass klassische Psychophysik visuelle Fähigkeiten untersucht, z.B. eine Detektionsschwelle oder Auflösungsgrenze. Dabei geht allerdings wichtige Information über das wesentliche Endprodukt visueller Wahrnehmung, wie der Stimulus subjektiv erscheint, verloren.

In diesem Projekt werden wir sowohl Mikro- als auch Makroerscheinungsformen quantifizieren; vom Sehen mit einem einzelnen Photorezeptor in der Fovea bis zum Erkennen komplexer Stimuli in der Peripherie. Neue Methoden zur Erfassung elementarer Erscheinungsformen werden entwickelt und in verschiedenen psychophysikalischen Paradigmen, z.B. Übersehschärfe, visuelle Maskierung und crowding angewendet. Mit der Verknüpfung höchst-aufgelöster retinaler Mikrostimulation mit neuer Erscheinungform-Psychophysik werden wir die elementaren Bausteine visueller Wahrnehmung direkt untersuchen können. 

Finanzierung
Deciphering the elemental building blocks of visual appearance (DEBBORA)
PI: Wolf Harmening & Bilge Sayim; ANR-DFG, Ha5323/8-1, Budget: 282k EUR


Binokulare Fixationsaugenbewegungen

Strahlengang des binokularen Scanning-Laser-Ophthalmoskops (bSLO) zur Untersuchung von Fixationsaugenbewegungen

Projektleitung: Dr. Wolf Harmening

In unserer alternden Gesellschaft wird das Verständnis von neurodegenerativen Erkrankungen weiter an Bedeutung gewinnen. Angesichts der Komplexität der damit verbundenen neuronalen Architektur und der Schwierigkeit, sie experimentell zugänglich zu machen, müssen neue Wege in der Forschung gefunden werden. Studien zur Fixationsaugenbewgungen (FEM) haben in jüngster Zeit an Zugkraft gewonnen, da FEM einen direkten Einblick in den Output der neurosensorischen Verarbeitung sowohl willkürlicher (top-down) als auch unwillkürlicher (bottom-up) neuronaler Signale bietet. Das Auge wird zu einem Fenster zum Gehirn, wo die FEM als Stellvertreter für die neuronale Funktion in gesunden Augen und in Fällen neuronaler Degeneration, wie Multiple Sklerose, Alzheimer und Parkinson, fungiert. In unserem Ansatz werden wir erstmals in der Lage sein, FEM beider Augen mit höchster Präzision zu messen und pharmakologisch zu modulieren. 

Finanzierung
Binocular scanning laser ophthalmoscopy (BinoSLO)
PI: Wolf Harmening; Dr. Eberhard und Hilde Rüdiger Stiftung, Budget: 39k EUR


Publikationen

Neitz A, Jiang X, Kuchenbecker JA, Domdei N, Harmening WM, Yan H, Yeonan-Kim, Patterson SS., Neitz M, Neitz J, Coates DR, Sabesan R (2020) Effect of cone spectral topography on chromatic detection sensitivity. Journal of the Optical Society of America A, 37(4):A244-A254.
DOI 10.1364/JOSAA.382384 

Harmening WM, Sincich LC (2019) Adaptive Optics for Photoreceptor-Targeted Psychophysics. High Resolution Imaging in Microscopy and Ophthalmology. Springer, Cham. pp 359-375.
DOI 10.1007/978-3-030-16638-0_17

Domdei N, Linden M, Reiniger JL, Holz FG, Harmening WM (2019) Eye tracking-based estimation and compensation of chromatic offsets for multi-wavelength retinal microstimulation with foveal cone precision. Biomedical Optics Express, 10: 4126-4141.
DOI 10.1364/BOE.10.004126

Reiniger JL, Lobecke AC, Sabesan R. Bach M, Verbakel F, de Brabander J, Holz FG, Berendschot TTJM, Harmening WM (2019) Habitual higher order aberrations affect Landolt but not Vernier acuity. Journal of Vision, 19(5): 1-15. DOI 10.1167/19.5.11

Domdei N*, Domdei L*, Reiniger J, Linden M, Holz FG, Roorda A, Harmening WM (2018) Ultra-high contrast retinal display system for single photoreceptor psychophysics. Biomedical Optics Express. 9: 157-172 DOI 10.1364/BOE.9.000157

Tuten WS*, Harmening WM*, Sabesan R, Roorda A, Sincich LC (2017) Spatiochromatic interactions between individual cone photoreceptors in the human retina. The Journal of Neuroscience, 37(39) 9498-9509.  DOI 10.1523/JNEUROSCI.0529-17.2017

Ratnam K, Domdei N, Harmening WM*, Roorda A* (2017) Benefits of retinal image motion at the limits of spatial vision. Journal of Vision, 17(1): 30. DOI 10.1167/17.1.30

Bruce KS, Harmening WM, Langston BR, Tuten WS, Roorda A, Sincich LC (2015) Normal perceptual sensitivity arising from weakly reflective cone photoreceptors. Investigative Ophthalmology & Visual Science, 56(8):4431-4438

Harmening WM*, Tuten WS*, Roorda A, Sincich LC (2014) Mapping the perceptual grain of the human retina. The Journal of Neuroscience, 34(16):5667-5677

Harmening WM, Tiruveedhula P, Roorda A, Sincich LC (2012) Measurement and correction of transverse chromatic offsets for multi-wavelength retinal microscopy. Biomedical Optics Express, 3(9): 2066-2077

Harmening WM, Orlowski J, Ben-Shahar O, Wagner H (2011) Overt attention towards oriented objects in free viewing barn owls. Proceedings of the National Academy of Sciences, 108(20): 8461-8466

Angaben zur Forschungsgruppe
Kontakt

Name der Forschungsgruppe

Adaptive Optics and Vision Laboratory Bonn, AOVisionLab Bonn
AnsprechpartnerDr. rer.nat. Wolf Harmening
wolf.harmening@ukbonn.de
Telefon 0228 287-15882

AdresseAdaptive Optics and Vision Laboratory Bonn, AOVisionLab Bonn
Universitäts-Augenklinik Bonn, Department of Ophthalmology, University of Bonn

http://ao.ukbonn.de