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Ein Gehirnimplantat, das Licht nutzt
Forscher von Medtronic entwickeln einen Prototyp eines neuronalen Implantats, das Licht nutzt, um das Verhalten von Neuronen im Gehirn zu verändern. Das Gerät basiert auf der neuen Wissenschaft der optogenetischen Neuromodulation, bei der bestimmte Gehirnzellen gentechnisch verändert werden, um auf Licht zu reagieren. Medtronic, der weltweit größte Hersteller biomedizinischer Technologien, möchte mit dem Gerät besser verstehen, wie elektrische Therapien, die derzeit zur Behandlung von Parkinson und anderen Erkrankungen eingesetzt werden, die Symptome dieser Krankheiten lindern. Wissenschaftler von Medtronic sagen, dass sie die Ergebnisse nutzen werden, um die bereits verkauften Elektrostimulatoren zu verbessern, aber andere hoffen letztendlich, optische Therapien direkt als Behandlungen einzusetzen.
Lichttherapie: Ein Neuron (grün), das entwickelt wurde, um ein lichtempfindliches Protein zu exprimieren, feuert als Reaktion auf bestimmte Lichtwellenlängen. Eine Glaselektrode (untere linke Ecke) zeichnet die elektrische Reaktion des Neurons auf. Forscher von Medtronic verwendeten dieses System, um zu bestätigen, dass ein neuer implantierbarer Stimulator Neuronen mit Licht richtig aktivieren kann.
Die heutigen neuronalen Implantate funktionieren, indem sie gemessene Dosen elektrischer Stimulation über eine dünne Elektrode abgeben, die chirurgisch durch ein kleines Loch im Schädel eines Patienten eingeführt wird und deren Spitze in einem lokalisierten Gehirnbereich implantiert wird. Seit die US-Gesundheitsbehörde Food and Drug Administration (FDA) solche Hirnschrittmachergeräte und die von ihnen gelieferte elektrisch gestützte Behandlung – die so genannte Tiefe Hirnstimulation (DBS) – für eine Störung namens essentieller Tremor im Jahr 1997, für die Parkinson-Krankheit im Jahr 2002 und für Dystonie im Jahr 2003 zugelassen hat, über 75.000 Menschen haben sie installieren lassen. Es wird angenommen, dass die elektrischen Impulse der abnormalen neuralen Aktivität entgegenwirken, die aus verschiedenen Krankheiten resultiert, obwohl Ärzte wenig darüber wissen, wie DBS funktioniert.
Trotz ihres Erfolgs haben solche Neuralprothesen gravierende Nachteile. Abgesehen von der unverblümten Tatsache ihrer physischen Lage stimulieren sie wahllos Neuronen in der Nähe der Elektrode. Diese Überaktivität kann Schwindel, Kribbeln und andere Nebenwirkungen auslösen. Darüber hinaus erzeugen sie elektrisches Rauschen, das die Verfolgung leiserer neuronaler Signale erschwert und die gleichzeitige Verwendung von Scansystemen wie MRT praktisch unmöglich macht, was wiederum Forscher daran hindert, Beweise für die tatsächliche Funktionsweise von DBS zu gewinnen.
In den letzten Jahren haben Wissenschaftler einen Weg entwickelt, Neuronen mit Licht statt mit Strom zu stimulieren. Forscher führen zunächst ein Gen für ein lichtempfindliches Molekül namens Channelrhodopsin 2 (ChR2) in eine bestimmte Untergruppe von Neuronen ein. Wenn diese Neuronen mit blauem Licht bestrahlt werden, feuern sie dann. Ein Vorteil dieses Ansatzes ist seine Spezifität – nur die Neuronen mit dem Gen werden aktiviert. Es bietet auch eine Möglichkeit, Neuronen auszuschalten – die Einführung eines anderen Moleküls, Halorhodopsin (NpHR), bringt die Zellen als Reaktion auf gelbes Licht zum Schweigen. Das ist die andere einzigartige Eigenschaft dieses Ansatzes, sagt Tim Denison, Senior IC Engineering Manager in der Neuromodulationsabteilung von Medtronic. Es ermöglicht uns, die Aktivität von Neuronen zum Schweigen zu bringen, was bei der Elektrostimulation außerordentlich schwierig ist.
Während akademische Wissenschaftler neue Werkzeuge entwickeln, um das Gehirn mit Licht zu versorgen, entwickelt Medtronic ein optogenetisch basiertes Implantat für den kommerziellen Einsatz. Das Modul, das ungefähr die Größe und Form eines kleinen USB-Sticks hat, verfügt über drahtlose Datenverbindungen, eine Energieverwaltungseinheit, einen Mikrocontroller und einen optischen Stimulator. Es verwendet einen Glasfaserdraht, um Licht von einer blauen oder grünen LED auf Zielneuronen im Gehirn zu lenken. Das Unternehmen plant, das Gerät an neurowissenschaftliche Forscher zu vermarkten und es für die interne Erforschung der Auswirkungen von DBS zu verwenden.
Die Wissenschaftler von Medtronic betonen die sehr frühe Natur des Geräts. Dies sei Forschung für die Verwendung mit Tiermodellen und derzeit noch nicht bereit für eine menschliche Übersetzung, betont Denison. Trotzdem fährt er fort: Das Spannende daran ist, dass Therapien auch heute noch auf diesen elektrisch basierten Ideen aus dem 19. Jahrhundert basieren. Jetzt bietet diese neuartige, disruptive Technologie eine einzigartige Schnittstelle zum Nervensystem.
Heute wenden über 500 Labore optogenetische Werkzeuge an Tiermodellen von Parkinson, Blindheit, Wirbelsäulenverletzung, Depression, Narkolepsie, Sucht und Gedächtnis an. Medtronic, das sein Geschäft durch die bahnbrechende Marktimplementierung der medizinischen Forschung aufgebaut hat, hat sich ausführlich mit optogenetischen Pionieren beraten Karl Deisseroth von Stanford und Ed Boyden vom MIT, um ein Implantat zu bauen, um diese neue Wissenschaft zu unterstützen. (Boyden ist ein gelegentlicher Kolumnist für Technologieüberprüfung .)
Um das Forschungsimplantat in ein klinisches Gerät zu verwandeln, müssen Medtronic oder andere Wege finden, die notwendigen Gene sicher an bestimmte neuronale Schaltkreise im Gehirn zu liefern. Denison glaubt, dass die Entwicklung praktischer optogenetischer Therapien für menschliche Patienten schrittweise erfolgen wird. Ehrlich gesagt ist dies eine Technologie, an der mein Sohn als Medtronic-Mitarbeiter arbeiten kann, sagt er.
Boyden vom MIT sieht jedoch eine beschleunigte Entwicklung vor: Ich denke, es ist eher in der Zeitspanne von drei bis zehn Jahren, sagt er. Boyden hat das Unternehmen Eos mitgegründet, um Gentherapien zur Heilung von Blindheit zu entwickeln. (Da sie auf das Auge abzielt, wäre für diese Therapie kein Implantat erforderlich.) Jerry Silver von der Case-Western University hat ein Startup, LucCell, das auf solche Therapien abzielt, um eine beschädigte Rückenmarksfunktion wiederherzustellen. Die Gentherapie sei ein reifendes Feld, sagt Silver. Es gibt einen Virustyp namens AAV –Adeno-assoziiertes Virus –das natürlich ist, das fast alle von uns bereits in sich tragen, das keine Symptome hat und das bereits bei vielen Hunderten von Patienten ohne eine einzige schwerwiegende Nebenwirkung angewendet wurde.
Insgesamt kommt Boyden zu dem Schluss: Bei vielen neuralen oder psychiatrischen Erkrankungen weist ein sehr kleiner Teil der Gehirnzellen sehr große Veränderungen auf – bei Parkinson sterben vielleicht einige Tausend Zellen ab. Wenn Sie mit Optogenetik diese nachgelagerten Ziele korrigieren können, ohne alle „normalen Neuronen“ zu verändern – in Anführungszeichen – könnten Sie unser derzeitiges Problem lösen, nämlich dass jedes Medikament zur Behandlung von Gehirnerkrankungen sehr schwerwiegende Nebenwirkungen hat und neuronale Implantate extrem stumpfe Instrumente sind . Das ist also die Hoffnung.