Forscher finden neue Möglichkeiten, durch Chips die Art des Denkens, Handelns und Fühlens, zu lenken und umzuprogrammieren.
Charles M. Lieber und Shaun Patel, Fakultätsmitglied an der Harvard Medical School und am Massachusetts General Hospital, stehen vor einem Wendepunkt Ihrer Forschung. In einem Artikel mit dem Titel “Precision Electronic Medicine”, der 2019 in Nature Biotechnology veröffentlicht wurde, argumentieren sie, dass die Neurotechnologie an der Schwelle zu einer großen Renaissance steht.
“Die nächste Grenze ist wirklich die Verschmelzung von menschlicher Kognition mit Maschinen”, sagt Patel, Neurologe an der Harvard Medical School und am Massachusetts General Hospital. Und in ihrem Artikel schreiben die Universitätsprofessoren, dass Mesh-Elektronik, wie sie von Professor Lieber entwickelt wurde, die Grundlage für Maschinen ist, die elektronische Behandlungen für so ziemlich alles, was mit dem Gehirn zu tun hat, personalisieren können.
“Im Gehirn manifestiert sich im Grunde alles. Alles. Alle Ihre Gedanken, Ihre Wahrnehmungen, jede Art von Krankheit”, sagte Patel.
Gegenwärtig können Wissenschaftler die Bereiche des Gehirns identifizieren, in denen Entscheidungsfindung, Lernen und Emotionen ihren Ursprung haben, aber die Rückverfolgung von Verhaltensweisen zu bestimmten Neuronen ist immer noch eine Herausforderung. Das heißt, wenn die komplexen Schaltkreise des Gehirns durch psychiatrische Erkrankungen wie Sucht, neurodegenerative Krankheiten wie Alzheimer oder sogar durch natürliche Alterung durcheinander geraten oder abgebaut werden, haben Ärzte nur zwei Möglichkeiten: Medikamente oder implantierte Elektroden, die beide Auswirkungen auf mehr als die vorgesehenen Ziele haben können. In einigen Fällen können die Nebenwirkungen schwerwiegend sein, und während die Wirkung der Tiefenhirnstimulation fast sofort eintritt, behandelt das Immunsystem des Gehirns die starren Implantate mit der Zeit als Fremdkörper: Neuronale Immunzellen (Gliazellen) verschlingen den vermeintlichen Eindringling, verdrängen Neuronen oder töten sie sogar ab und verringern die Fähigkeit des Geräts, die Behandlung aufrechtzuerhalten.
Professor Lieber und Professor Patel sind der Meinung, dass die derzeitige Technologie nur eine Notlösung darstellt. In ihrem Papier schreiben sie, dass die Entwicklung von “Forschung, die sich auf die Schnittstelle zwischen dem Nervensystem und der Elektronik konzentriert, … das Potenzial von Implantaten erschließen kann, die in der Lage sind, auf zellulärer Ebene therapeutisch zu wirken”.
“Personalisierte elektronische Therapien werden neue Behandlungsmodalitäten für neurodegenerative und neuropsychiatrische Erkrankungen, eine leistungsfähige Steuerung von Prothesen zur Wiederherstellung der Funktion bei degenerativen Erkrankungen, Traumata und Amputationen und sogar eine Verbesserung der menschlichen Kognition ermöglichen”, schreiben sie. “Insgesamt glauben wir, dass die sich abzeichnenden Fortschritte in der gewebeähnlichen Elektronik minimalinvasive Geräte ermöglichen werden, die in der Lage sind, eine stabile langfristige zelluläre neurale Schnittstelle zu schaffen und eine langfristige Behandlung für chronische neurologische Erkrankungen zu bieten.
Zu diesem Zweck entwirft Liebers Labor kleinere, flexiblere elektronische Hirnimplantate, die sich mit dem Hirngewebe und nicht dagegen bewegen. Seine Netzelektronik ahmt die Größe, Form und Haptik echter Neuronen nach, kann einzelne Neuronen und Schaltkreise bis zu einem Jahr oder länger aufzeichnen, verfolgen und modulieren und löst fast keine Immunreaktion aus. Darüber hinaus hat Liebers Elektronik bereits einen wertvollen Trick für sich selbst bewiesen: Sie fördert die neuronale Migration und kann neugeborene Neuronen in geschädigte Bereiche, wie z. B. durch einen Schlaganfall entstandene Taschen, leiten.
Das bedeutet, so die Forscher, dass die Technologie irgendwann verfolgen könnte, wie bestimmte neuronale Subtypen miteinander sprechen, was wiederum zu einer saubereren, präziseren Karte des Kommunikationsnetzes des Gehirns führen könnte. Mit höher aufgelösten Zielen können künftige Elektroden mit größerer Präzision arbeiten und unerwünschte Nebenwirkungen vermeiden. Und, so Patel, sie könnten auf die Behandlung jeder neurologischen Störung abgestimmt werden.
Lieber und Patel gehen davon aus, dass sich die nächsten Schritte auf “hochflexible Maschensonden mit hoher Dichte an Aufzeichnungs- und Stimulationselektroden [konzentrieren werden], die mit ausgereiften, silikonbasierten Prozessorchips verbunden werden können”, was letztlich zu “nahtlosen neuronal-elektronischen Systemen” und sogar zu Behandlungen für bedrohliche und verwirrende Hirnerkrankungen wie Alzheimer führen wird.
Danach, so die Forscher, könnten adaptive Elektroden eine bessere Kontrolle über Prothesen oder sogar gelähmte Gliedmaßen ermöglichen und mit der Zeit wie ein neuronaler Ersatz wirken, der beschädigte Schaltkreise ersetzt, um unterbrochene Kommunikationsnetze wiederherzustellen und sich auf der Grundlage von Live-Feedback neu zu kalibrieren.
“Wenn man tatsächlich auf präzise und langfristige Weise interagieren und auch Feedback-Informationen liefern könnte”, so Lieber, “könnte man wirklich mit dem Gehirn auf dieselbe Weise kommunizieren, wie das Gehirn mit sich selbst kommuniziert.”
Die Mesh-Elektronik hat noch einige große Herausforderungen zu bewältigen: die Skalierung der Anzahl der implantierten Elektroden, die Verarbeitung der Datenflut, die diese Implantate liefern, und die Rückführung dieser Informationen in das System, um eine Live-Rekalibrierung zu ermöglichen.
“In Gesprächen scherze ich immer, dass ich dies tue, weil mein Gedächtnis ein wenig schlechter geworden ist als früher”, sagte Lieber. “Das ist der natürliche Alterungsprozess. Aber muss es denn so sein? Was wäre, wenn man es korrigieren könnte?”
“Das Potenzial dafür ist hervorragend”, sagte Patel. “Ich selbst sehe das auf der Ebene dessen, was mit dem Transistor oder der Telekommunikation begann.
Quelle: Harvard Gazeta
https://news.harvard.edu/gazette/story/2019/09/a-new-paper-examines-how-neuron-like-implants-could-treat-brain-disorders/
