Das menschliche Gehirn, ein komplexes und leistungsstarkes Organ, steht im Zentrum medizinischer Forschung und Anwendung. Fortschritte in den Neurowissenschaften eröffnen neue Perspektiven für die Behandlung neurologischer und psychiatrischer Erkrankungen. Dieser Artikel beleuchtet aktuelle Forschungsansätze, innovative Technologien und therapeutische Durchbrüche im Bereich der Hirnmedizin.
Gezielte Medikamentenabgabe im Gehirn
Eine große Herausforderung in der Behandlung von Hirntumoren, Hirnblutungen sowie neurologischen und psychischen Erkrankungen besteht darin, Medikamente gezielt an den Wirkort im Gehirn zu bringen. Viele Medikamente haben starke Nebenwirkungen, da sie im gesamten Gehirn zirkulieren und nicht nur in dem Bereich wirken, in dem sie sollen. Wissenschaftler:innen arbeiten daher an Methoden, Medikamente gezielter an einem eng begrenzten Wirkort zu deponieren.
Ein vielversprechender Ansatz ist die Verwendung von Mikrovehikeln, die Medikamente präzise zu ihrem Zielort transportieren. Ein Forschungsteam nutzte gasgefüllte Bläschen mit einer Hülle aus Fettsäuren, demselben Bestandteil, aus dem die Membranen biologischer Zellen bestehen, als Mikrovehikel. Diese Mikrobläschen lassen sich mit Ultraschall steuern und zersetzen sich nach getaner Arbeit im Körper. Im Gegensatz dazu erfordert die Steuerung über Magnetfelder magnetische Mikrovehikel, deren Entwicklung biologisch abbaubarer Varianten eine Herausforderung darstellt.
Die Steuerung der Mikrobläschen in engen Gefäßen wurde von Forschenden im Labor entwickelt. Sie injizierten die Bläschen in den Blutkreislauf von Mäusen und konnten sie mit Ultraschall an Ort und Stelle halten oder gegen die Fließrichtung des Bluts durch Gehirngefäße steuern. Dazu befestigten sie vier kleine Energiewandler außen am Schädel der Mäuse, die Schwingungen im Ultraschallbereich erzeugen. Durch eine ausgeklügelte dynamische Steuerung der einzelnen Energiewandler navigierten die Wissenschaftler:innen die Bläschen.
In dieser Studie waren die Mikrobläschen noch nicht mit Medikamenten bestückt. Zunächst wollten die Forschenden die Vehikel durch die Blutgefäße steuern und die Machbarkeit im Gehirn aufzeigen. In einem nächsten Schritt sollen Wirkstoffmoleküle für den Transport außen an die Bläschenhülle geheftet werden. Ziel ist es, das gesamte Verfahren so weiterzuentwickeln, dass es auch im Menschen funktioniert.
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Neuro-KI und Brain-Computer-Interfaces
Künstliche Intelligenz (KI) spielt eine zunehmend wichtige Rolle in der Medizin und der Hirnforschung. Um die großen Chancen von KI in diesen Bereichen zu nutzen, wurde am Mannheimer Zentrum für Neuromodulation und Neuroprothetik eine neue Arbeitsgruppe für „Neuro-KI und Gehirn-Computerschnittstellen“ („Neuro-AI and BCI“) eingerichtet.
KI beruht auf mathematischen Prinzipien, insbesondere auf linearer Algebra und Rechenverfahren mit Matrizen. KI-Modelle, meist künstliche neuronale Netze, müssen mit sehr großen Datenmengen trainiert werden, was eine enorme Rechenleistung erfordert. Die Arbeitsgruppe „Neuro-KI und Gehirn-Computerschnittstellen“ erforscht, wie sich das menschliche Gehirn mit KI verstehen lässt - und umgekehrt.
Das menschliche Gehirn besteht aus etwa hundert Milliarden Nervenzellen (Neuronen), die miteinander verbunden sind. Informationen werden verarbeitet, indem elektrische und Signale in diesem Netzwerk verarbeitet werden. Das gesamte Nervensystem des Menschen besteht aus Gehirn, Rückenmark und den in den Körper hineinragenden Nerven. Wie die Verarbeitung kleiner elektrischer Impulse im Gehirn dazu führt, dass Menschen eine komplexe Sprache entwickeln oder eine bewusste Wahrnehmung der Umgebung entsteht, ist heute weitgehend unverstanden.
Ein besseres Verständnis dieser Mechanismen ermöglicht zielgenauere und personalisierte Therapieformen, die über die Behandlung der bloßen Symptome hinausgehen können. Künstliche Intelligenz ist zwar meist auf einzelne Aufgaben beschränkt, während das menschliche Gehirn ein echter Alleskönner ist. Eine künstliche Intelligenz, die ähnlich vielseitig wäre wie das menschliche Gehirn, gibt es bisher nicht.
In einem früheren Projekt wurde ein künstliches neuronales Netzwerk auf Sprachverarbeitung trainiert. Anschließend wurden gezielt Störungen eingebaut, die einem Hörverlust ähneln, um besser zu verstehen, wie chronische Phänomene wie Tinnitus entstehen könnten. In die Modelle werden auch Prinzipien aus der Physik, Biologie und Ingenieurwissenschaft integriert.
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Mit solchen Netzwerken kann man außerdem untersuchen, ob es Parallelen bei der Sprachverarbeitung gibt. So lässt sich beispielsweise analysieren, wie große Sprachmodelle Sprache verarbeiten und ob dabei ähnliche Muster entstehen wie im menschlichen Gehirn. Dazu misst man die Hirnaktivität mit Methoden wie der Elektroenzephalografie (EEG) oder der Magnetenzephalografie (MEG).
Ein weiterer wichtiger Punkt ist die Frage, wie nachvollziehbar die Entscheidungen solcher Systeme sind. Wenn künstliche Intelligenz in der Medizin eingesetzt wird, beispielsweise zur Unterstützung bei Therapieempfehlungen, ist es entscheidend zu wissen, worauf diese Empfehlungen beruhen. Systeme der künstlichen Intelligenz sind besonders gut darin, mit sehr großen Datenmengen umzugehen.
In einem Projekt werden Messdaten aus der Magnetenzephalografie mithilfe von künstlicher Intelligenz analysiert. Ziel ist es, Muster in der Hirnaktivität von Menschen mit chronischen Schmerzen zu erkennen und daraus Rückschlüsse auf mögliche Therapieerfolge zu ziehen.
Ein weiteres Ziel ist es, Menschen mit schweren Lähmungen oder vollständigem Verlust der Bewegungsfähigkeit neue Wege zur Kommunikation und Interaktion zu eröffnen. Zu diesem Zweck wird ein Implantat in motorische Bereiche des Gehirns eingesetzt. Die dort entstehenden Signale werden mithilfe von KI in Echtzeit analysiert und in konkrete Befehle, beispielsweise für die Sprachsteuerung oder die Kontrolle technischer Geräte, übersetzt.
NeuroCure: Exzellenzcluster für translationale Neurowissenschaften
Der Exzellenzcluster „NeuroCure“ verbindet Grundlagenforschung und klinische Praxis, um wissenschaftliche Erkenntnisse schneller in Therapien umzusetzen. Beteiligt sind neben der Charité - Universitätsmedizin Berlin, der gemeinsamen medizinischen Fakultät von FU und HU Berlin, vier weitere außeruniversitäre Forschungsinstitute.
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„Von der Grundlagenforschung bis zu einer therapeutischen Anwendung ist es ein langer und teurer Weg“, sagt Prof. Dr. Dietmar Schmitz, Direktor des Neurowissenschaftlichen Forschungszentrums an der Charité - Universitätsmedizin Berlin und „NeuroCure“-Sprecher. „Und um ein so komplexes System wie das Gehirn zu erforschen, ist Kooperation notwendig.“
In der kommenden Förderphase will „NeuroCure“ auf bewährte Forschungsansätze aufbauen und neue Akzente setzen, insbesondere auf Therapieansätze mit vielversprechenden Perspektiven. Erst kürzlich erzielte die Forschung einen bedeutenden Durchbruch bei der Parkinson-Behandlung: Die neue sogenannte adaptive tiefe Hirnstimulation (aDBS) kann die Hirnaktivität dynamisch beeinflussen, um Symptome wie Zittern oder Bewegungsverlangsamung zu lindern.
Die adaptive Stimulation geht einen Schritt weiter: aDBS reagiert in Echtzeit auf die Hirnaktivität der Patient:innen und passt die Stimulation individuell an. Mit speziellen Algorithmen werde die elektrische Aktivität des Gehirns dabei ständig überwacht, die Impulse würden automatisch angepasst.
Ein weiterer Schwerpunkt der künftigen „NeuroCure“-Forschung liegt auf Autoimmunerkrankungen, bei denen das Immunsystem fälschlicherweise körpereigenes Gewebe angreift. Im Gehirn können fehlgeleitete Antikörper oder Abwehrzellen Entzündungen auslösen und die Kommunikation zwischen Nervenzellen stören. „Wir setzen dabei auf Gen- und Zelltherapie. Körpereigene Zellen werden genetisch verändert oder gezielt programmiert, um krankmachende Immunreaktionen zu stoppen und schädliche Antikörper zu eliminieren“, erläutert Dietmar Schmitz die innovativen Ansätze.
Neuroimaging: Ein Blick in das lebende Gehirn
Die Neuro-Bildgebung ermöglicht es Wissenschaftlern, einen Blick in das lebende Gehirn zu werfen und sowohl etwas über die Struktur als auch über die Funktion des Gehirns zu lernen. „Die hohe Auflösung der Bilder erlaubt mittlerweile Aufnahmen auf 1x1x1 Millimeter Genauigkeit. Das heißt, Forscher können heute bereits kleinere Veränderungen in der Hirnaktivität anschauen“, sagt Prof. Dr. Christian Büchel vom Neuroimage Nord in Hamburg.
Eine der ersten bildgebenden Techniken zur Messung von Aktivität im Gehirn war die Positronen-Emissions-Tomographie (PET). Bei dieser Methode nutzen die Forscher die Tatsache, dass der Stoffwechsel von Nervenzellen erhöht ist, wenn ein Mensch eine Tätigkeit ausübt. Bei der PET werden radioaktive Substanzen in die Vene injiziert. An blutreichen Stellen befindet sich besonders viel radioaktive Substanz, die mit Detektoren geortet werden kann.
Vor etwa 20 Jahren wurde die Magnet-Resonanz-Tomographie (MRT) entwickelt, die sogenannte Kernspin-Tomographie, die ohne Radioaktivität auskommt. Die MRT arbeitet mit einem Magnetfeld, auf das die Atome in den Körperzellen reagieren. Die Wissenschaftler machten sich zunutze, dass der rote Blutfarbstoff, das Hämoglobin, seine magnetischen Eigenschaften ändert, wenn Sauerstoff transportiert wird. Das heißt, dort, wo gerade viel Sauerstoff unterwegs ist, erscheint das MRT-Bild heller. So wird statt eines externen Kontrastmittels das Blut selbst als Kontrastmittel genutzt, um aktive Bereiche im Gehirn zu visualisieren. Damit war die funktionelle MRT, kurz fMRT, geboren.
Besonders bei der Erforschung von psychiatrischen, neurologischen und neurodegenerativen Erkrankungen, wie Morbus Alzheimer, ist der Einsatz der funktionellen Bildgebung fortgeschritten. Mit einem hochauflösenden Gerät lassen sich selbst kleinste Veränderungen erkennen. So geben Abweichungen in der Vernetzung von Nerven zum Beispiel wichtige Hinweise auf eine mögliche Alzheimer-Erkrankung. Eine weitere Erfolgsgeschichte der funktionellen Bildgebung ist die Diagnose von Cluster-Kopfschmerz.
Die Funktionsweise des menschlichen Gehirns bis ins Detail zu erforschen, ist eine wissenschaftliche Herausforderung, die in ihrer Dimension selbst die Entschlüsselung des menschlichen Erbgutes übertrifft. Damit dies gelingt, spielt die Zusammenarbeit von Forscherinnen und Forschern aus verschiedenen Disziplinen eine wichtige Rolle.
Potenzial sieht Prof. Dr. Büchel besonders in der Kooperation mit Experten aus dem Feld der Computational Neuroscience, bei der das Verhalten von Nervenzellen mithilfe von Computermodellen simuliert wird. Diese Modelle erlauben es, die Komplexität von Hirnvorgängen darzustellen und dadurch besser zu verstehen.
Neuroinspirierte Technologien und Supercomputing
Hirnforschung und Technologieentwicklung treiben sich gegenseitig voran. Mithilfe von neuroinspirierten Technologien, Supercomputern und Künstlicher Intelligenz können wir die Komplexität des menschlichen Gehirns immer besser verstehen. Neuroinspirierte Technologien ahmen bestimmte Prinzipien der Struktur und Funktionsweise des menschlichen Gehirns nach und haben in den Bereichen des Supercomputings, der Datenwissenschaften und des maschinellen Lernens zu Durchbrüchen geführt.
So etwa im Rahmen des europäischen Human Brain Project (HBP). In dem Projekt arbeiten mehr als 122 Forschungseinrichtungen aus 17 Ländern zusammen, um Hirnforschung und Informationstechnologien miteinander zu vernetzen und weiterzuentwickeln. Supercomputer und Künstliche Intelligenz helfen Neurowissenschaftlern im Projekt dabei, die dafür erforderlichen riesigen Datenmengen zu analysieren.
Doch neue Erkenntnisse aus der Hirnforschung bringen nicht nur die Medizin voran, sondern tragen auch maßgeblich zur Entwicklung neuer leistungsstarker und energieeffizienter KI- und Computertechnologien bei. Das Gehirn ist im Vergleich zu leistungsstarken Computern extrem platz- und energiesparend.
Forscherinnen und Forscher des Human Brain Project an der Technischen Universität Graz haben sich von Erkenntnissen aus der Hirnforschung inspirieren lassen, um einen neuen Lernalgorithmus für Künstliche Intelligenz zu entwickeln. Ähnlich wie im Gehirn werden die einzelnen Zellen des künstlichen neuronalen Netzwerkes nur dann aktiviert, wenn ihre Impulse für die Verarbeitung von Informationen tatsächlich benötigt werden.
Gemeinsam mit einer Arbeitsgruppe der Technischen Universität Dresden hat das Team aus Manchester kürzlich im Rahmen des Human Brain Project einen KI-Chip namens SpiNNaker2 entwickelt. Der Chip verfügt über eine unvergleichbare Effizienz und eine Latenzzeit von unter einer Millisekunde für ereignisbasierte Systeme.
Fortschritte in der Behandlung neurologischer Erkrankungen
Die neurologische Forschung eröffnet laufend neue Wege. In einer großen Analyse von Studien zur Behandlung von Nervenschmerzen wurden die Daten von fast 50.000 Patientinnen und Patienten ausgewertet. Auch Medikamente, die eigentlich bei Epilepsie eingesetzt werden, etwa Gabapentin oder Pregabalin, zeigen Erfolge.
In der EU wurden mit Lecanemab und Donanemab zwei neue Medikamente gegen Alzheimer zugelassen. Sie greifen erstmals direkt in die Ursachen der Krankheit ein. Die Wirkstoffe, sogenannte monoklonale Antikörper, müssen alle 2 oder 4 Wochen intravenös verabreicht werden. Sie lösen die verklumpenden Eiweißablagerungen im Gehirn, die für den Nervenzellabbau bei Alzheimer mitverantwortlich sind. Die neuen Mittel können Nebenwirkungen wie Schwellungen oder kleine Blutungen im Gehirn verursachen. Trotzdem ist ihre Wirkung insgesamt positiv.
Zwei Studien konnten bestätigen, dass eine Impfung gegen das Gürtelrose-Virus das Risiko einer späteren Demenz um etwa 20 Prozent senken kann. Eine neue Studie zeigt: Wenn man einer Verengung der Halsschlagader konsequent mit Medikamenten vorbeugt, unterscheidet sich die Schlaganfallhäufigkeit nach zwei Jahren nicht von Menschen, die operiert wurden.
Erste Studien an wenigen Patienten zeigen: Das Verfahren ist sicher, verursacht bislang keine ernsten Nebenwirkungen und verbessert sowohl die Dopaminproduktion als auch die Symptome.
Bei schubförmiger Multipler Sklerose zeigen neue Immuntherapien sehr gute Ergebnisse. Um Gerinnsel aufzulösen, die Hirngefäße verstopfen und so einen akuten Schlaganfall verursachen, wurde die Substanz Tenecteplase zugelassen. Sie wirkt genauso gut wie der Wirkstoff Alteplase, der in Deutschland seit 1987 im Einsatz ist. Der Vorteil: Tenecteplase lässt sich mit einer einzigen Injektion verabreichen.
Bei chronischer Migräne hat die neue Substanz Atogepant deutliche Erfolge gezeigt und ist gut verträglich. Auch wurde mit dem sogenannten monoklonalen Antikörper Ublituximab wieder ein neues Mittel gegen Multiple Sklerose (MS) zugelassen.
Eine aktuelle Studie zeigt, dass die klassischen Parkinson-Wirkstoffe Levodopoa und Carbidopa besser als Infusion unter die Haut wirken. Gegen die seltene Erbkrankheit Friedreich-Ataxie wurde der Wirkstoff Omaveloxolon eingeführt. Es ist die erste und bisher einzige Therapie und für Betroffene ab 16 Jahren zugelassen.
Für die spezielle Akutbehandlung der Migräne-Kopfschmerzen wurden Medikamente aus der Substanzklasse der „Triptane“ erfolgreich eingesetzt. Nun wurde der erste Vertreter der Substanzklasse der „Ditane“ zugelassen. Das Medikament ist für all jene geeignet, bei denen die Triptane nicht wirken oder nicht einsetzbar sind.
Die derzeit größten Fortschritte sind bei Studien zu verzeichnen, die das Beta-Amyloid ins Visier nehmen. Eine der Studien konnte zeigen, dass es nicht nur gelingt, diese Eiweißklumpen aus dem Gehirn „auszuwaschen“ sondern auch bei frühem Einsatz das Voranschreiten der kognitiven Störung zu verlangsamen.
Neue Studien konnten bisherige Befunde erhärten, dass der Darm und das dort vorhandene Mikrobiom eine wichtige Rolle bei der Entstehung der Parkinson-Erkrankung spielt. Wenn die Medikamente bei der Parkinson-Erkrankung nach Jahren nicht mehr gut wirken, kann eine „Tiefe Hirnstimulation“ die Beschwerden verbessern. Eine andere aktuell erforschte Methode ist die kernspintomographisch gesteuerte Ultraschallbehandlung, bei der die relevanten Regionen von außen gezielt millimetergenau verödet werden. Eine aktuelle Studie zeigt, dass die klassischen Parkinson-Wirkstoffe Levodopoa und Carbidopa besser als Infusion unter die Haut wirken.
Verstopfungen durch Gerinnsel in den großen Hirngefäßen führen zu schweren Schlaganfällen. Neue Studien haben gezeigt, dass dieses Verfahren - anders als bisher angenommen - selbst bei großen Schlaganfällen und bis zu 24 Stunden effektiv ist. 2021 wurden innerhalb eines Jahres allein sechs neue Medikamente gegen die Multiple Sklerose (MS) zugelassen.
Möglichkeiten zur Vorhersage individueller Krankheitsverläufe bei der Multiplen Sklerose (MS) eröffnet heute die Bestimmung von bestimmten Eiweißstoffen im Blut (zum Beispiel Neurofilamente). Damit können zielgerichtet unterschiedlich aktive Medikamente bei den Betroffenen eingesetzt werden.
In den 1960er Jahren wurde die Therapie der Parkinson-Krankheit erstmals durch Einführung von einer Hochdosis L-Dopa revolutioniert. Die zweite Revolution nach der Entdeckung von L-Dopa kam per Zufall. 1987 entdeckte der französische Physiker und Neurochirurg Alim-Louis Benabid, dass sich durch eine Stimulation tiefer Hirnareale im Hochfrequenzbereich bei 100 Hz der Parkinsontremor nachließ.
Einen Durchbruch einer bislang kaum behandelbaren Erkrankung hat es erst in jüngster Zeit bei der Behandlung der spinalen Muskelatrophie gegeben.
Ethische und gesellschaftliche Implikationen
Die Fortschritte in der Hirnforschung und der Entwicklung neuer Technologien werfen auch ethische und gesellschaftliche Fragen auf. Neuroelektrische Schnittstellen können potenziell das menschliche Verhalten, die menschliche Psyche und die Persönlichkeit beeinflussen. Der zunehmende Einsatz von Psychopharmaka, insbesondere zur Leistungssteigerung, zur Selbst- und zur Fremdmanipulation, ist ein weiteres wichtiges Thema.
Die Diskussion gesellschaftlicher Tendenzen und Implikationen neuer medizinisch nutzbarer Ergebnisse der Neurowissenschaften konzentriert sich daher auf den zunehmenden Einsatz von Psychopharmaka, insbesondere zur Leistungssteigerung, zur Selbst- und zur Fremdmanipulation. Das Problem weist einen engen Bezug zu der vielleicht größten gesundheits- und sozialpolitischen Herausforderung der kommenden Jahrzehnte auf, der demografisch bedingten Zunahme neurodegenerativer Erkrankungen.