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Medizin

Hirnimplantat verbessert kognitive Leistung bei Primaten

Montag, 17. September 2012

Guido Vrola/Fotolia

Winston-Salem – US-Forscher haben eine Neuroprothese entwickelt, die bei Rhesusaffen die kognitiven Fähigkeiten verbessern kann. Das im Journal of Neural Engineering (2012; doi: 10.1088/1741-2560/9/5/056012) vorgestellte Implantat greift in neuronale Schaltkreise im Frontalhirn ein.

Die Erfolge mit „Hirnschrittmachern“ beim Morbus Parkinson haben der breiteren Öffentlichkeit verdeutlicht, dass elektrische Impulse die Hirnfunktion beeinflussen können. Bei den Cochlear-Implantaten werden ebenfalls elektrische Impulse genutzt, um über die Erregung bestimmter Nervenfasern Höreindrucke zu vermitteln. Das Team um Sam Deadwyler vomWake Forest Baptist Medical Center in Winston-Salem im US-Staat North Carolina geht jetzt noch einen gewaltigen Schritt weiter. Das Team implantierte fünf Rhesusaffen Elektroden in den präfrontalen Cortex. Sie registrierten die Hirnströme der Tiere, die danach gezielt verstärkt wurden.

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Die Implantationen erfolgten während eines stereotaktischen Eingriffs. Dabei wurden bei jedem Tier zwei Elektroden in den präfrontalen Cortex platziert, die mit einem äußeren Steuergerät verbunden sind. Ausgewählt wurde eine Stelle des präfrontalen Cortex, die in der Positronen-Emissions-Tomographie bei kognitiven Aufgaben eine vermehrte Aktivität angezeigt hatte. Die Hirnrinde besteht hier (wie auch an anderen Stellen des Isocortex) aus sechs Schichten (Laminae).

Die Elektroden wurden in zwei Schichten platziert. Eine Elektrode befand sich in den weiter außen liegenden supra-granulären Laminae 2/3, die sensorische Signale („Input“) verarbeiten. Die andere Elektrode wurde in der infragranulären Lamina 5 („Output“) platziert, die die Verbindung mit anderen Hirnschichten herstellt. Das „multi-input multi-output nonlinear“ oder MIMO-Modell, das Forscher der Universität von Kalifornien in Los Angeles entwickelt haben, registriert Signale aus den Laminae 2/3, und es kann Impulse an die Lamina 5 abgeben.

Um die Wirkung des Implantats zu erproben, erlernten die Rhesusaffen zunächst ein einfaches Computerspiel. Dabei mussten sie sich Symbole auf einem Monitor merken. Dies konnte eine Pflanze, eine Landschaft oder ein Gegenstand sein. Nach einer Pause sollten die Tiere das zuvor gesehene Symbol aus einer Gruppe von unterschiedlichen Symbolen auswählen. Bei einer richtigen Antwort winkte eine Belohnung.

Die Softwareingenieure aus Los Angeles registrierten zunächst die Hirnsignale, während die Affen ihre Wahl trafen. Dabei suchten sie nach Unterschieden in den Hirnströmen, wenn die Tiere eine richtige und falsche Antwort gaben. Später verstärkten die Hirnforscher, während die Tiere gerade überlegten, über die Hirnimplantate die Hirnsignale der richtigen Antwort.

Die Intervention fiel in die Phase zwischen dem normalen „Input“ in Laminae 2/3 und den „Output“ in Lamina 5. Die Hirnforscher konnten damit tatsächlich die Zahl der richtigen Antworten steigern. Besonders deutlich waren die Unterschiede, wenn die kognitiven Fähigkeiten der Tiere zuvor durch die Gabe von Kokain vermindert worden waren. Unter dem Einfluss der Droge nahmen die kognitiven Leistungen der Tiere um 13 Prozent ab. Nachdem die Forscher die Hirnprothese aktiviert hatten, besserten sich die Ergebnisse. Laut Deadwyler waren sie sogar um 10 Prozent besser, als dies ohne die Betäubung durch Kokain der Fall war.

Im Prinzip wäre ein ähnlicher „Hirnchip“ auch beim Menschen möglich. Ein mögliches Einsatzgebiet wären nach Ansicht der Forscher Patienten, bei denen nach einer Hirnverletzung bestimmte Hirnfähigkeiten verloren gegangen sind. Bis zur Umsetzung der Tierexperimente dürfte es allerdings noch ein langer Weg sein.

Zu bedenken ist, dass die Hirnprothese der US-Forscher sich auf eine einzelne Aufgabe konzentrierte, deren Korrelat in den Hirnsignalen über eine längere Zeit analysiert werden konnte. Diese Voraussetzungen dürften bei einer klinischen Hirnverletzung nicht so einfach vorliegen. Hier ist nicht bekannt, wie das Gehirn die Leistung vorher gemeistert hat. Außerdem kommt es bei Läsionen in der Regel zum Ausfall mehrerer Fähigkeiten. © rme/aerzteblatt.de

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