Einleitung
Die Vorstellung, das Gehirn mit Kabeln oder anderen technischen Hilfsmitteln zu verbinden, mag futuristisch anmuten, ist aber bereits Realität. Unter dem Begriff "Gehirn aus Kabeln" lassen sich verschiedene neurotechnologische Ansätze zusammenfassen, die darauf abzielen, neuronale Schaltkreise zu beeinflussen, Funktionen wiederherzustellen oder neue Fähigkeiten zu ermöglichen. Dieser Artikel beleuchtet die Definition dieser Technologie, ihre Anwendungsbereiche und die damit verbundenen ethischen Fragen.
Definition: Gehirn aus Kabeln
Der Begriff "Gehirn aus Kabeln" ist eine Metapher für verschiedene Technologien, die eine direkte Verbindung zum Gehirn herstellen. Dies kann durch implantierbare Geräte wie Elektroden oder durch nicht-invasive Methoden wie die transkranielle Gleichstromstimulation (tDCS) erfolgen. Ziel ist es, die elektrische Aktivität des Gehirns zu modulieren, um bestimmte neuronale Prozesse zu beeinflussen.
Neurotechnologische Innovationen
Drahtlose Hirn-Implantate
Forscher der Northwestern University haben ein drahtloses neurologisches Implantat entwickelt, das komplexe Informationen in Form von programmierbaren Lichtmustern direkt an neuronale Schaltkreise überträgt. Dieses Implantat wird unter der Kopfhaut platziert und umgeht die natürlichen Sinneswege des Körpers, indem es Lichtmuster nutzt, um Informationen direkt an die neuronalen Schaltkreise im Gehirn zu senden. Das Gerät ist klein, flexibel und wird chirurgisch auf dem Schädelknochen platziert. Es aktiviert spezifische Neuronenpopulationen in der Großhirnrinde durch präzise Lichtimpulse.
Das Implantat, etwa so groß wie eine Briefmarke und dünner als eine Kreditkarte, verfügt über ein programmierbares Array von bis zu 64 Mikro-LEDs, die jeweils nicht dicker als ein menschliches Haar sind. Im Gegensatz zu früheren optogenetischen Systemen, die Glasfaserkabel benötigten und die Bewegungsfreiheit der Versuchstiere einschränkten, arbeitet dieses Gerät komplett drahtlos und ohne Batterien. Die Echtzeit-Steuerung jeder einzelnen LED ermöglicht komplexe Sequenzen mit variabler Frequenz, Intensität und zeitlicher Abfolge.
Das flexible Implantat sendet Licht durch den Schädelknochen und kann so verteilte kortikale Netzwerke stimulieren, ähnlich den natürlichen Mustern bei echten Sinneswahrnehmungen. In Versuchen mit genetisch modifizierten Mäusen lernten die Tiere, spezifische Lichtmuster als bedeutungsvolle Signale zu interpretieren und erfolgreich verhaltensbasierte Aufgaben zu lösen. Diese Technologie ermöglicht es erstmals, komplexe Informationen direkt an das Gehirn zu übermitteln, ohne auf natürliche Sinneskanäle angewiesen zu sein.
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Tiefe Hirnstimulation (THS)
Die Tiefe Hirnstimulation (THS), im anglo-amerikanischen Raum als Deep Brain Stimulation (DBS) oder umgangssprachlich als „Hirnschrittmacher“ bezeichnet, ist eine etablierte Behandlung von Bewegungsstörungen. Seit der ersten Anwendung in den späten 1980er Jahren wurde die THS weltweit bei etwa 85.000 Patienten durchgeführt, hauptsächlich aufgrund von Parkinson-Erkrankungen.
Wirkungsweise
Die THS arbeitet über eine kontinuierliche hochfrequente elektrische Stimulation von Kerngebieten des Gehirns. Es wird angenommen, dass diese Stimulation eine Hemmung des Kerngebietes bewirkt, die sich auf das gesamte Netzwerk der Basalganglien auswirkt. Die genaue Wirkweise ist jedoch noch nicht vollständig geklärt. Wichtig ist, dass die THS eine symptomatische Behandlung ist, die die Symptome reduziert, aber keinen Einfluss auf das Vorhandensein oder Voranschreiten der zugrunde liegenden Erkrankung hat. Der Effekt der THS ist reversibel: Nach Ausschalten des Stimulators stellt sich ein Zustand ein, wie er zu diesem Zeitpunkt ohne Stimulation wäre.
Indikationen
Die THS ist zur Behandlung vieler neurologischer Erkrankungen zugelassen. Etabliert hat sie sich zur Behandlung des Morbus Parkinson, wobei meist der Nucleus subthalamicus (STN) als Zielpunkt verwendet wird. Alternativ kommt zur Behandlung von Überbeweglichkeiten (Dyskinesien) in der Spätphase der Parkinsonerkrankung der Globus pallidus internus (GPi) in Frage. Zur Behandlung von Tremor hat sich der Nucleus ventralis intermedius (VIM) des Thalamus bewährt. Die generalisierte und segmentale Dystonie wird durch eine THS im GPi behandelt. Weitere Studien laufen für tardive Dyskinesien und Chorea Huntington.
Die THS ist auch zur Behandlung der fokalen Epilepsie zugelassen, wobei im anterioren Thalamus stimuliert wird. Psychiatrische Erkrankungen wie Zwangserkrankungen werden ebenfalls mit THS behandelt, und vielversprechende Ergebnisse zeigen sich in Studien bei Patienten mit chronischer Depression.
Wirkung auf klinische Symptome
Die Wirkung auf die klinische Symptomatik hängt vom Zielpunkt und der zugrunde liegenden Erkrankung ab. Beim Morbus Parkinson werden Muskelsteifigkeit (Rigor), Bewegungsarmut (Hypokinese / Bradykinese) und Zittern (Tremor) bei einer THS im STN effektiv behandelt. Axiale Symptome wie Gangunsicherheit sprechen weniger gut an. Die THS im VIM des Thalamus wirkt nur auf den Tremor, und die Stimulation des GPi kann dystone Bewegungsstörungen und Dyskinesien reduzieren. Eine Stimulation des anterioren Thalamus reduziert die Anfallshäufigkeit bei Epilepsie.
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Notwendige Abklärung
Vor dem operativen Eingriff ist eine umfassende Abklärung notwendig, um geeignete Patienten zu selektieren. Diese umfasst die Dokumentation der klinischen Symptomatik, Bildgebung des Gehirns (Kernspintomographie), neuropsychologische Testungen, eine psychiatrische Vorstellung und apparative Zusatzuntersuchungen. Die Patienten werden in einer interdisziplinären Konferenz besprochen, und das individuelle Operationsrisiko wird gegen den möglichen Gewinn abgewogen.
Ablauf einer stereotaktischen Operation
Die THS-Operation wird von Ärzten der stereotaktischen Neurochirurgie durchgeführt und dauert etwa 6 Stunden. Zunächst wird ein stereotaktischer Ring am Schädelknochen befestigt, der der Planung und Navigation dient. Anschließend wird eine Computertomographie des Schädels veranlasst, und die Bilddaten werden mit einem Kernspintomogramm in Übereinstimmung gebracht. Nach der Planung wird ein zusätzlicher Bügel am Ring befestigt, der die Navigation ermöglicht.
Nach örtlicher Betäubung erfolgt ein Hautschnitt, und ein Loch mit etwa 8 mm Durchmesser wird in die Schädeldecke gebohrt. Mikroelektroden werden in das Gehirn eingeführt, um elektrische Ableitungen aus dem Kerngebiet zu ermöglichen und eine Teststimulation durchzuführen. Der optimale Stimulationsort wird detektiert, und die endgültige Stimulationselektrode wird dort platziert. In der Regel wird eine beidseitige Operation durchgeführt.
Anschließend erfolgt in Vollnarkose die Implantation der Kabel und des Stimulators unter der Haut. Der Impulsgeber ist durch die Haut programmierbar und wird einige Tage nach der Operation erstmals eingeschaltet. Die Anpassung der Stimulationsparameter erfolgt langsam, und die Weiterbehandlung erfolgt in der Regel in einer Rehabilitationseinrichtung.
Komplikationen und Nebenwirkungen
Komplikationen können durch den chirurgischen Eingriff oder durch technische Defekte des elektronischen Systems entstehen. In etwa 2% der Fälle kommt es durch Verletzung eines Gefäßes zu einer Gehirnblutung, die neurologische Symptome verursachen kann. Sehr selten tritt eine Dislokation der Elektrode auf. Ein weiteres Risiko stellt das Infektionsrisiko dar, das eine Explantation der Implantate notwendig machen kann.
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Technische Komplikationen können zum Ausfall des Impulsgebers führen, der dann ausgetauscht werden muss. Je nach Stimulationsort und Elektrodenlage können Nebenwirkungen wie Sprechstörungen, Gefühlsstörungen, Verkrampfungen oder Doppelbilder auftreten. Im Falle des STN bei M. Parkinson können auch psychiatrische Nebenwirkungen wie Apathie oder depressive Verstimmung provoziert werden.
Elektroenzephalogramm (EEG)
Das Elektroenzephalogramm (EEG) ist eine nicht-invasive Methode, bei der die elektrische Aktivität des Gehirns über Elektroden auf der Kopfhaut gemessen wird. Die Elektroden sind über Kabel mit einem EEG-Gerät verbunden. Ein EEG wird bei Verdacht auf Nervenerkrankungen wie Epilepsie oder bei Hirnschädigungen aufgezeichnet. Es kann auch zur Überwachung der Narkose während Operationen oder zur Beurteilung der Hirnfunktion auf Intensivstationen verwendet werden. Mit einem EEG lässt sich auch der Hirntod feststellen.
Normalerweise werden für ein EEG 21 Elektroden verwendet, die in einer Haube befestigt sind. Vor der Untersuchung werden die Elektroden mit Kontaktgel bestrichen. Die Messung erfolgt in entspannter Haltung im Liegen oder Sitzen. Während der Untersuchung gibt eine medizinische Fachkraft Anweisungen, zum Beispiel die Augen zu öffnen oder heftig ein- und auszuatmen. Manchmal werden auch bestimmte Reize wie flackerndes Licht eingesetzt.
Ein EEG zeigt keine Zackenmuster wie ein EKG, sondern mehrere Wellen. Der Verlauf der Wellen hängt davon ab, wie aktiv das Gehirn gerade ist. Bei jedem Menschen zeigt sich ein typisches normales EEG-Bild. Abweichungen von typischen Wellenmustern können auf eine Erkrankung oder Störung hinweisen, wie zum Beispiel epileptische Krampfanfälle.
Gehirn-Computer-Schnittstellen (BCI)
Gehirn-Computer-Schnittstellen (Brain Computer Interfaces, BCI) sind ein weiterer wichtiger Aspekt der Neurotechnologie. Sie ermöglichen die Verknüpfung von neuronalen Gehirnstrukturen mit technischen Hilfsmitteln. Ein Beispiel hierfür ist die funktionelle Elektrostimulation (FES), bei der externe elektrische Impulse erzeugt werden, um Muskeln oder Nerven zu stimulieren und Bewegungen auszulösen. Mehrkanalstimulatoren können bis zu vier Muskelgruppen stimulieren und komplexe, alltagsrelevante Bewegungen gezielt ausführen.
Anwendungsbereiche
Die Technologie des "Gehirns aus Kabeln" bietet ein breites Spektrum an Anwendungsmöglichkeiten:
- Sensorisches Feedback für orthopädische Prothesen: Ermöglicht es Prothesenträgern, Empfindungen wie Druck oder Temperatur wahrzunehmen.
- Künstliche Stimulation für Seh- oder Hörprothesen: Hilft Menschen mit Seh- oder Hörverlust, ihre Sinne teilweise wiederzuerlangen.
- Schmerzmodulation ohne Opioide: Bietet eine alternative Methode zur Schmerzlinderung ohne die Risiken von Opioiden.
- Unterstützung der Rehabilitation nach einem Schlaganfall oder Verletzungen: Fördert die Wiederherstellung verlorener Funktionen durch gezielte Stimulation des Gehirns.
- Behandlung von Bewegungsstörungen: THS wird erfolgreich zur Behandlung von Parkinson, essentiellem Tremor und Dystonie eingesetzt.
- Behandlung psychiatrischer Erkrankungen: THS zeigt vielversprechende Ergebnisse bei Zwangserkrankungen, Depressionen und Tourette-Syndrom.
- Wiederherstellung von Sinneswahrnehmungen: Cochlea-Implantate und Hirnstammprothesen ermöglichen es tauben Menschen, wieder zu hören. Retina-Implantate und Stimulation des visuellen Cortex können erblindeten Menschen helfen, teilweise wieder zu sehen.
- Motorische Neuroprothesen: Elektrische Impulse können bei Querschnittsgelähmten und Locked-In-Patienten Bewegungen ermöglichen.
Neuroplastizität: Die Reparaturzentrale des Gehirns
Schäden im Gehirn können durch Neuroplastizität kompensiert werden, die es Nervenzellen ermöglicht, sich neu zu organisieren und geschädigte Funktionen zu kompensieren. Nach einem Schlaganfall beginnen die überlebenden Nervenzellen, sich anders zu verknüpfen und bilden Ersatzkabel, um Umgehungskreisläufe zu schaffen.
Kompensation einer fehlenden Hirnhälfte
In jungen Jahren kann das Gehirn sogar den Verlust einer kompletten Hirnhälfte kompensieren. Studien haben gezeigt, dass die Nervenverbindungen in bestimmten Arealen bei Menschen, denen in der Kindheit eine Hemisphäre entfernt wurde, den Mustern von Personen mit zwei Hirnhälften ähneln.
Faktoren, die die Kompensation beeinflussen
Wie gut eine Funktion von anderen Regionen übernommen werden kann, hängt von verschiedenen Faktoren ab: dem Ausmaß der Verletzung, dem Ort des Geschehens und dem zeitlichen Verlauf von Schädigung und Reha. Kleine Schäden können vor allem dann kompensiert werden, wenn sie langsam auftreten, wie bei neurodegenerativen Krankheiten wie Parkinson.
Unterstützung der Heilung durch Technologie
Technologische Verfahren wie die Stimulation mit Magnetfeldern können die Reparatur des Gehirns unterstützen. Die Magnetstimulation kann fehlgeleitete Neuorganisationen korrigieren und Areale aktivieren, die den Schaden erfolgreich kompensieren. Intelligente Orthesen können ebenfalls helfen, die Neuroplastizität zu unterstützen, indem sie Hirnimpulse an die Orthese übertragen, die dann gelähmte Finger öffnet.
Aktives Training und äußere Reize
Neuroplastizität ist kein passiver Zustand. Das Gehirn braucht äußere Reize, damit es Wachstumsfaktoren ausschüttet und eine zielgerichtete Reorganisation der Faserbahnen stattfinden kann. Die Reha der Zukunft könnte deshalb so aussehen, dass vor jeder Therapieeinheit eine Magnetstimulation steht, um die Patientin oder den Patienten in einen lernfähigen Zustand zu versetzen.
Ethische Überlegungen
Die Fortschritte in der Neurotechnologie werfen wichtige ethische Fragen auf:
- Auswirkungen auf Identität und Individualität: Die Implantation von Elektroden ins Gehirn kann mögliche Auswirkungen auf das Bewusstsein, die Persönlichkeit und die Identität des Patienten haben.
- Gefahren der Manipulation: Die Möglichkeit, das Gehirn zu beeinflussen, birgt das Risiko von Manipulation und Missbrauch.
- Zugang zu Technologie: Es muss sichergestellt werden, dass die Vorteile der Neurotechnologie allen zugänglich sind und nicht nur einer privilegierten Gruppe.
- Ethische Richtlinien: Es bedarf ethischer Richtlinien, die mögliche negative Konsequenzen in einem vertretbaren Rahmen halten, ohne dabei den technischen Fortschritt aufzuhalten.
Die synaptische Übertragung
Nervenzellen sind miteinander durch Synapsen verbunden, an denen Signale in Form von Botenstoffen übertragen werden. Unser Nervensystem besteht aus etwa 100 Milliarden Nervenzellen, die untereinander vernetzt sind und dadurch zu komplexen Rechenleistungen in der Lage sind. Die synaptischen Vesikel sind keineswegs nur eine Art membranumhüllte „Konservendose“ zur Speicherung der Botenstoffe. Die Funktionsweise der synaptischen Vesikel auf molekularer Ebene zu verstehen, ist eine aufwendige Arbeit, die jedoch für die Weiterentwicklung der Neurotechnologie unerlässlich ist.