Die Neurochirurgie entwickelt sich ständig weiter, und innovative Technologien spielen eine entscheidende Rolle bei der Verbesserung der Behandlungsergebnisse. Ein vielversprechendes Feld ist die Entwicklung von Neuroelektroden, die eine hochauflösende elektrophysiologische Messung und Stimulation neuronaler Aktivität im zentralen Nervensystem ermöglichen. Ein besonderer Fokus liegt hierbei auf der Weiterentwicklung der Elektrodentechnik für den Einsatz als neuroelektrische Schnittstelle, beispielsweise für die adaptive tiefe Hirnstimulation (DBS) oder zentrale Hörprothesen. Die "Duisburger Schraube" könnte in diesem Kontext eine spezifische Anwendung oder ein Bauteil darstellen, obwohl die bereitgestellten Informationen keine direkte Erwähnung dieser Schraube enthalten. Dieser Artikel beleuchtet die Anwendung von Neuroelektroden in der Neurochirurgie, insbesondere im Hinblick auf tiefe Hirnstimulation, Implantatinfektionen und die zentrale Verarbeitung von Hörinformationen, und diskutiert potenzielle Anwendungsbereiche der "Duisburger Schraube".
Neuroelektroden und tiefe Hirnstimulation (DBS)
Neuroelektroden, die eine dauerhafte, medizinisch sichere und räumlich hochauflösende elektrophysiologische Messung und Stimulation im zentralen Nervensystem ermöglichen, werden als neuroelektrische Schnittstellen eingesetzt, z. B. bei der tiefen Hirnstimulation oder als zentrale Hörprothesen. Bei der tiefen Hirnstimulation (DBS) werden Elektroden in bestimmte Gehirnregionen implantiert und dort dauerhaft elektrisch stimuliert. Dies ist bei Bewegungsstörungen, wie der Parkinsonerkrankung, eine hochwirksame und etablierte Therapie. Bei neuropsychiatrischen Erkrankungen gewinnt die DBS zunehmend an Bedeutung.
Die Wirkungsmechanismen der DBS, insbesondere ihr Einfluss auf die Pathophysiologie der jeweiligen Erkrankung, sind noch nicht vollständig geklärt. Zur Erforschung dieser Mechanismen werden Tiermodelle eingesetzt, um die komplexe Interaktion der DBS mit den neuronalen Funktionsschleifen des Gehirns unter normalen und krankhaften Bedingungen besser zu verstehen. Die daraus gewonnenen Informationen nutzen wir, um die Behandlungsmethoden der DBS weiterzuentwickeln und zu verbessern.
Im Rahmen einer DFG (Deutsche Forschungsgesellschaft) geförderten Kooperation mit der Arbeitsgruppe Barcikowski, Technische Chemie I der Universität-Duisburg Essen, wurde gezeigt, dass die Abscheidung von Platin-Iridium-Nanopartikel zur Impedanzoptimierung von Ableit- und Stimulationselektroden beiträgt, ohne die Biokompatibilität der Elektroden zu beeinflussen. Derzeit wird untersucht, ob die Qualität der elektrophysiologischen Ableitung durch eine derartige Beschichtung verbessert werden kann.
Im Rahmen eines von der EU bewilligten Forschungsprojekts unter der Federführung von Prof. Doll (Fraunhofer Institute for Toxicology and Experimental Medicine ITEM Translational Biomedical Engineering), werden bei Ratten neuartige Elektrodenarrays implantiert, mit denen die kortikale Aktivität ähnlich wie beim EEG aber mit höherer Auflösung chronisch abgeleitet werden kann. Derartige Elektrodenarrays können später für die Ableitung neuronaler Aktivität im Rahmen der adaptiven DBS genutzt werden.
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Impedanzoptimierung und Biokompatibilität von Neuroelektroden
Die Optimierung der Impedanz von Neuroelektroden ist entscheidend für die Verbesserung der Signalqualität und die Reduzierung des Energieverbrauchs bei der Stimulation. Die Abscheidung von Platin-Iridium-Nanopartikeln hat sich als vielversprechender Ansatz erwiesen, um diese Ziele zu erreichen, ohne die Biokompatibilität der Elektroden zu beeinträchtigen. Dies ist von großer Bedeutung, da eine gute Biokompatibilität das Risiko von Entzündungen und Abstoßungsreaktionen minimiert und somit die Langzeitstabilität der implantierten Elektroden gewährleistet.
Adaptive tiefe Hirnstimulation
Die adaptive tiefe Hirnstimulation (aDBS) stellt eine Weiterentwicklung der herkömmlichen DBS dar. Bei der aDBS wird die Stimulation in Echtzeit an die Bedürfnisse des Patienten angepasst, basierend auf der gemessenen neuronalen Aktivität. Dies ermöglicht eine präzisere und individualisierte Therapie, die potenziell effektiver ist und weniger Nebenwirkungen verursacht. Die Entwicklung von Elektrodenarrays, die eine hochauflösende Ableitung der kortikalen Aktivität ermöglichen, ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zurRealisation der aDBS.
Implantatinfektionen in der Neurochirurgie
Implantat-assoziierte Infektionen sind eine der Hauptursachen für Implantatversagen und eine große Herausforderung in vielen chirurgischen Bereichen. In der Regel werden diese Infektionen durch Bakterien ausgelöst, die sich an der Implantatoberfläche anheften, sich in komplexen Biofilmen organisieren und eine chronische Entzündung mit destruktiven Veränderungen des umgebenden Gewebes induzieren. Eine systemische medikamentöse Therapie ist nur selten erfolgreich, da in Biofilmen organisierte Bakterien oft resistent gegenüber Antibiotika und körpereigener Immunabwehr sind.
In einer Arbeitsgruppe wurde ein Nagermodell etabliert, bei dem nach Infektion einer transkraniellen (durch den Schädelknochen führenden) Schraube mit Biofilmerregern eine selbstunterhaltende Biofilmbildung mit assoziierter lokaler Entzündungsreaktion des umgebenen Gewebes auftritt. Dieses Modell eignet sich zum präklinischen Screening neuer Implantatmaterialien und -oberflächen, ehe deren Eignung in aufwendigeren Verfahren verifiziert wird. Mit diesem Tiermodell wird beispielsweise die Wirkung einer Freisetzung antibakterieller Wirkstoffe durch funktionalisierte Implantatoberflächen bei Biofilm-assoziierten Infektionen untersucht.
Des Weiteren wird der Verlauf von Implantatinfektionen mit einer Wärmebildkamera verfolgt. Mit dieser Technik lassen sich möglicherweise etwaige morphologische Veränderungen des Schädelknochens und umgebenen Gewebes frühzeitig erkennen und durch eine rechtzeitige Behandlung einem Implantatverlust vorbeugen.
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Bedeutung von Tiermodellen für die Implantatforschung
Tiermodelle spielen eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung neuer Implantatmaterialien und -oberflächen. Sie ermöglichen es, die Reaktion des Körpers auf Implantate unter kontrollierten Bedingungen zu untersuchen und die Wirksamkeit verschiedener Behandlungsstrategien zu testen. Das etablierte Nagermodell, bei dem eine transkranielle Schraube mit Biofilmerregern infiziert wird, ist ein wertvolles Werkzeug, um die Pathogenese von Implantatinfektionen zu verstehen und neue Ansätze zur Prävention und Behandlung zu entwickeln.
Früherkennung von Implantatinfektionen
Die Früherkennung von Implantatinfektionen ist entscheidend, um einen Implantatverlust zu verhindern. Die Verwendung einer Wärmebildkamera zur Verfolgung des Verlaufs von Implantatinfektionen ist ein vielversprechender Ansatz, um morphologische Veränderungen des Schädelknochens und des umgebenden Gewebes frühzeitig zu erkennen. Dies ermöglicht eine rechtzeitige Behandlung und kann dazu beitragen, einen Implantatverlust zu vermeiden.
Zentrale Verarbeitung von Hörinformationen
Die Verarbeitung auditorischer Information in fronto-basalganglio-thalamischen Gehirnregionen und deren Interaktion mit der zentralen Hörbahn ist von großem Interesse. Aufnahmen von basalganglio-thalamischen Regionen während eines auditorischen Oddball- und eines Sprachverarbeitungsparadigmas lieferten zwei Erkenntnisse: Erstens, die Verarbeitung auditiver Informationen erfolgt bereits auf subkortikaler Ebene. Zweitens, verhaltensrelevante Informationen werden von dort aus an kortikale Regionen weitergegeben. Bei Patienten kann die Ableitung der neuronalen Aktivität nur in Regionen erfolgen, die für medizinische Zwecke ausgewählt wurden. Daher wurde das auditorische Oddball-Paradigma mit einem Ziel-, einem Distraktor- und einem Standardton verschiedener Frequenzen bei Ratten etabliert. Erste neuronale Ableitungen zeigen, dass die hervorgerufenen Potentiale denen unserer Patienten ähneln. Zudem wird das Oddball-Paradigma genutzt, um die optimale Stimulationsstrategie zentraler Hörimplantate in einem Verhaltensparadigma zu testen.
Eine Schwerhörigkeit oder Hörverlust beim Erwachsenen gilt als ein Risikofaktor für die Entwicklung einer Demenz. Hierbei ist allerdings bisher unklar, ob dies am soziale Rückzug der Patienten liegt, oder aber an einer durch den Hörverlust ausgelösten Veränderung neuronaler Netzwerke mit dadurch bedingten kognitiven Störungen. Um diese Frage unabhängig vom eigentlichen Sprachvermögen zu untersuchen, interessieren wir uns für mögliche Änderungen des Verhaltens und der neuronalen Aktivität nach Hörverlust bei Ratten. Erste Untersuchungen zeigen bei ertaubten erwachsenen Ratten ein langfristiges Lern- und Gedächtnisdefizit, sowie verminderte soziale Interaktionen. Aufgrund der fortschreitenden Vernetzung des reifenden Gehirns führen Schäden in frühen Entwicklungsphasen nicht nur zu lokalen Störungen, sondern auch zu Fehlbildungen von neuronalen Schaltkreisen. Damit können Verhaltensdefiziten und sogar neuropsychiatrischen Störungen verbunden sein. Ein weiterer Ansatz ist daher die Untersuchung des Verhaltens und der neuronalen Aktivität nach Hörverlust bei juvenilen Ratten.
Subkortikale Verarbeitung auditorischer Informationen
Die Erkenntnis, dass die Verarbeitung auditorischer Informationen bereits auf subkortikaler Ebene erfolgt, ist von großer Bedeutung für das Verständnis der neuronalen Grundlagen des Hörens. Sie deutet darauf hin, dass subkortikale Strukturen eine wichtige Rolle bei der Filterung und Selektion relevanter Informationen spielen, bevor diese an die kortikalen Regionen weitergeleitet werden. Dies könnte auch Implikationen für die Entwicklung von Hörprothesen haben, da diese möglicherweise in der Lage sein müssen, subkortikale Strukturen zu stimulieren, um eine möglichst natürliche Hörwahrnehmung zu erzielen.
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Hörverlust und Demenz
Der Zusammenhang zwischen Hörverlust und Demenz ist ein aktuelles Forschungsgebiet. Es gibt Hinweise darauf, dass Hörverlust ein Risikofaktor für die Entwicklung einer Demenz sein könnte, aber die genauen Mechanismen sind noch unklar. Es wird vermutet, dass sowohl der soziale Rückzug als auch die durch den Hörverlust ausgelösten Veränderungen neuronaler Netzwerke zu kognitiven Störungen beitragen könnten. Die Untersuchung von Verhaltensänderungen und neuronaler Aktivität nach Hörverlust bei Ratten könnte dazu beitragen, diese Mechanismen besser zu verstehen und neue Strategien zur Prävention und Behandlung von Demenz zu entwickeln.
Mögliche Anwendungen der "Duisburger Schraube"
Obwohl die bereitgestellten Informationen keine spezifischen Details zur "Duisburger Schraube" enthalten, lassen sich basierend auf dem Kontext der Neurochirurgie und den genannten Forschungsbereichen mögliche Anwendungen ableiten:
- Fixierung von Neuroelektroden: Die "Duisburger Schraube" könnte eine spezielle Schraube zur sicheren und stabilen Fixierung von Neuroelektroden im Schädelknochen sein. Dies ist besonders wichtig, um eine langfristige Stabilität der Elektroden zu gewährleisten und Bewegungen oder Verschiebungen zu verhindern, die die Signalqualität beeinträchtigen könnten.
- Implantatverankerung: Die Schraube könnte auch zur Verankerung anderer neurochirurgischer Implantate dienen, beispielsweise bei der Schädelrekonstruktion oder der Stabilisierung der Wirbelsäule.
- Testung von Implantatmaterialien: Im Rahmen der Forschung zu Implantatinfektionen könnte die "Duisburger Schraube" als standardisiertes Implantat in Tiermodellen verwendet werden, um die Wirksamkeit neuer antimikrobieller Beschichtungen oder Materialien zu testen.
- Miniaturisierung von Implantaten: Die Entwicklung von immer kleineren und minimalinvasiveren Implantaten erfordert auch die Entwicklung von entsprechend kleinen und präzisen Befestigungselementen. Die "Duisburger Schraube" könnte eine solche Lösung darstellen.
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