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Die Arbeit am Gehirnstimulator zur Korrektur des Gedächtnisses beginnt
Für einige der ungefähr 10 Millionen Menschen weltweit Mit einer traumatischen Hirnverletzung (TBI) kann das Bilden und Festhalten neuer Erinnerungen eines der schwierigsten Dinge sein, die sie an einem Tag tun werden. Stellen Sie sich nun ein in das Gehirn implantiertes Gerät vor, das ihnen helfen kann, Erinnerungen durch kleine Elektroschocks zu codieren.
Ein Röntgenbild zeigt EEG-Aufzeichnungselektroden unter dem Schädel eines Epilepsiepatienten.
Erste Schritte in Richtung einer solchen Gedächtnis-Neuroprothese werden an der University of Pennsylvania unternommen, wo Forscher mit Tests an Gehirnoperationspatienten begonnen haben, um zu versuchen, die Prozesse zu lokalisieren und zu beeinflussen, die die Gedächtnisbildung steuern.
Wenn Menschen Hirnverletzungen erleiden, passieren mehrere Dinge. Neuronen können durch den ersten Aufprall oder durch Blutergüsse oder Schwellungen im Gehirn danach beschädigt werden. Die Axone, die Gehirnregionen verbinden, könnten während des Aufpralls stark erschüttert werden und sich in einigen Fällen buchstäblich von Neuronen trennen.
Das Gehirn ist ein komplexes Netzwerk von Neuronen, die alle miteinander kommunizieren müssen, sagt Matthew Kirschen, ein pädiatrischer Neurologe am Children’s Hospital of Philadelphia, der nicht an der Penn-Forschung beteiligt ist. Alles, was Sie brauchen, ist eine kleine Unterbrechung des axonalen Prozesses und das Gedächtnis ist beeinträchtigt.
Das Pennsylvania-Team ist eines von mehreren in den Vereinigten Staaten, die letztes Jahr von DARPA, der Pentagon-Forschungsagentur, finanziert wurden, um Stimulatoren zu entwerfen und zu bauen, die die Wahrnehmung beeinflussen könnten, indem sie ständig die Gehirnfunktion aufzeichnen und bestimmte Gehirnbereiche mit niedrigen Dosen von Elektrizität zappen (siehe Militär finanziert Gehirn-Computer-Schnittstellen zur Kontrolle von Gefühlen).
Das Penn-Team unter der Leitung des kognitiven Neurowissenschaftlers Michael Kahana hat bereits damit begonnen, Gehirnaufzeichnungen von Patienten mit schwerer Epilepsie zu analysieren. Als Teil ihrer Behandlung erhalten diese Patienten ein kleines Elektrodennetz unter dem Schädel, das sie zwei bis sieben Wochen lang tragen. Die Elektroden sammeln EEG-Aufzeichnungen, die verwendet werden, um zu berechnen, wo in ihrem Gehirn ihre Anfälle ihren Ursprung haben, um sich auf eine Operation vorzubereiten, um das fehlerhafte Gewebe zu entfernen.
Während sie sich dieser Behandlung unterziehen, lassen sich einige Patienten freiwillig von Kahana studieren, während sie Memory-Spiele auf einem Computer spielen. Die EEG-Elektroden zeichnen die durchschnittliche elektrische Aktivität von Zehntausenden von Neuronen auf einmal auf; Kahana sagt, dass einige der auf diese Weise gemessenen Gehirnwellen mit der Gedächtnisfunktion korrelieren.
Die Verbindung zwischen EEG-Oszillationen und Erinnerungen ist nicht klar, aber die Penn-Forscher vermuten, dass bestimmte Frequenzen einen Marker dafür bieten könnten, wie gut sich eine Person an Dinge erinnern wird. Dazu gehören sogenannte Theta-Oszillationen – eine Art neuronaler Aktivität im Hippocampus, einer Gehirnregion, die aktiv an der Schaffung neuer Erinnerungen beteiligt ist. Sie sind diejenigen, die meiner Meinung nach am wichtigsten für die Gedächtnisbildung sind, und sie sind oft im Hippocampus vorhanden, sagt Josh Jacobs, Professor für Biomedizintechnik an der Columbia University, der an dem Projekt arbeitet.
Im Jahr 2013 verursachten Forscher der University of California, Davis, bei 56 Ratten Hirnverletzungen, wodurch ihre Theta-Oszillationen ernsthaft verringert wurden. Sie zeigten dann, dass die elektrische Stimulation des medialen Septumkerns, eines Teils der Hippocampusregion im Gehirn, Ratten dabei half, schneller aus einem Labyrinth zu entkommen.
Gelingt es dem Penn-Team, Marker der Gedächtnisbildung zu identifizieren, wird es versuchen, diese zu beeinflussen, indem es das Gehirn mit geringen Stromdosen stimuliert. Ziel ist es zu testen, ob es möglich ist, die Schaltkreise des Gehirns in den Zustand zu bringen, der die bestmögliche Gedächtnisfunktion eines bestimmten Patienten darstellt.
Kahana, die Direktorin des Computational Memory Lab der Universität ist, sagt, es sei noch zu früh, um zu sagen, ob die Idee funktionieren wird. Wir wollen, dass das Gehirn ein bestimmtes Muster elektrischer Aktivität zeigt, sagt er. Es ist ein großer Sprung [zu sagen], dass wir es irgendwie in diesen Zustand bringen können, indem wir ihm einen kleinen Schubs geben.
Die elektrische Hirnstimulation wird bereits häufig eingesetzt, um das mit der Parkinson-Krankheit verbundene körperliche Zittern zu stoppen. Obwohl nicht klar ist, warum die Technologie funktioniert, glauben einige, dass sie übererregte Neuronen unterdrückt. Etwa 125.000 Menschen haben Tiefenhirnstimulatoren erhalten; Fast alle Geräte werden vom Medizingerätehersteller Medtronic aus Minneapolis hergestellt.
Das Gerät von Medtronic verwendet einen Draht, um das Gehirn mit stetigen Stromimpulsen zu stimulieren. Das Gerät, das die Penn-Forscher hoffen, irgendwann mit Hilfe von Medtronic zu bauen, wird anders sein: Jacobs sagt, dass es Dutzende von Elektroden im Gehirn verwenden wird, um aufzuzeichnen und zu stimulieren. Der Aufbau könnte Strom anwenden, um zwischen den Elektroden zu fließen, was die Aktivität von Neuronen in Regionen zwischen ihnen verändern kann. Sie könnten theoretisch schnell aufnehmen und zappen, um die Speichercodierungsschaltung neu auszurichten, sagt Jacobs.
Laut DARPA wurde seit 2000 bei mehr als 270.000 Angehörigen des US-Militärs ein SHT diagnostiziert ( siehe Hirntrauma im Irak ), das einen dringenden Bedarf an wirksamen Behandlungen sieht, obwohl die meisten Verletzungen nicht in Kriegsgebieten auftreten. Das Penn-Team sagt, dass es voraussichtlich zwei Jahre damit verbringen wird, Gedächtnissignale zu untersuchen, und weitere zwei Jahre, um ein Gerät zu entwickeln. Klinische Tests am Menschen, sagt Kahana, könnten folgen, wenn die Forschung erfolgreich ist.