Gehirnimplantate heute und in Zukunft

In das Gehirn implantierte unidirektionale Sensoren oder Rückkopplungsgeräte können verwendet werden, um verschiedene Krankheiten wie Epilepsie und Alzheimer zu behandeln, Prothesen und Exoskelette von Gliedmaßen zu steuern, Signale vom bionischen Auge zu empfangen und auch die Funktionen des Gehirns selbst auszuführen.

In den letzten dreißig Jahren haben Wissenschaftler versucht, ein Gerät zu entwickeln, das die im Hippocampus ablaufenden Prozesse simuliert, um die Fähigkeit der Menschen wiederherzustellen, neue Erinnerungen zu schaffen - um Daten vom Kurzzeitgedächtnis zum Langzeitgedächtnis zu übertragen. In einer kürzlich durchgeführten Arbeit verbesserte ein Team mehrerer amerikanischer Universitäten die Ergebnisse der Lösung von Erinnerungsproblemen um 35-37%.

Lassen Sie uns diskutieren, wie weit Forscher in diesem Bereich gekommen sind und von wem wir in Zukunft neue Lösungen erwarten sollten.


Aufnahme aus dem Film "Johnny Mnemonic"

Gehirnimplantate sind ein Klassiker der Science-Fiction, sie finden sich in Filmen ("Johnny Mnemonic") und Büchern ("Enclaves"). In den Fantasien von Schriftstellern und Drehbuchautoren werden sie häufig entwickelt, um das Gedächtnis zu ersetzen und zu erweitern, die Lernfähigkeit zu verbessern und Zugang zum Netzwerk zu erhalten. In den Enklaven könnte ein zusätzlicher Prozessor in den Port im Schädel eingeführt werden, was die Fähigkeit des Gehirns um ein Vielfaches erhöht.

Im wirklichen Leben gibt es bereits Beispiele für Gehirnimplantate. Eines der ersten Geräte im Schädel, das Informationen erhielt, war ein Cochlea-Implantat zum Ausgleich von Hörverlust durch sensorineuralen Hörverlust : Bei dieser Störung geht das Gehör aufgrund einer Beschädigung des Schallempfangsgeräts verloren. Eine Neuroprothese wandelt elektrische Impulse von einem externen Mikrofon in Signale um, die für das menschliche Nervensystem verständlich sind. Die Technologie wird seit den 1960er Jahren eingesetzt.


Quelle

Die Augenprothetik funktioniert nach einem ähnlichen System: Die Daten der in die Brille eingebauten Kamera werden an das Hauptgerät übertragen, das das Bild in ein Signal umwandelt, das an die an der Netzhaut befestigten oder in das Gehirn implantierten Elektroden geleitet wird. Solange Sie auf allen Geräten aus diesem Bereich nur die Umrisse von Objekten sehen können, ist von Farben keine Rede.

Eine Möglichkeit, Patienten mit Epilepsie zu helfen, ist die invasive Überwachung. Elektroden werden in das Gehirn von Patienten implantiert, wodurch Ärzte den Bereich des Ausbruchs eines epileptischen Anfalls und dessen Ausbreitung bestimmen können. Die genaue Bestimmung dieser Parameter ermöglicht wirksame chirurgische Maßnahmen zur Behandlung des Patienten. Ein weiterer Bereich, der Menschen mit Alzheimer-Krankheit oder Depression helfen soll, bei denen Medikamente das Gehirn beeinflussen, sind Implantate zur direkten Injektion des Medikaments in das Gehirn, die in einem Team des Massachusetts Institute of Technology arbeiten.

Es gibt Experimente auf dem Gebiet seltenerer Krankheiten. Einer der ersten Cyborgs, Neil Harbisson , hat seit seiner Kindheit aufgrund von Achromatopsie keine Blumen mehr gesehen. Er entwickelte ein Gerät, mit dem er Farben „hören“ kann.



Ein weiterer vielversprechender Bereich ist die Verbesserung des Gedächtnisses. Wissenschaftler verstehen immer noch nicht vollständig, wie das menschliche Gehirn funktioniert, aber sie sind bereits in der Lage, einige seiner Funktionen wiederherzustellen - Geräte ahmen sein Verhalten buchstäblich nach und rekonstruieren die empfangenen elektrischen Signale, indem sie die erforderlichen Bereiche in der richtigen Reihenfolge stimulieren.

Theodore Berger von der University of Southern California sucht seit über 25 Jahren nach einer Möglichkeit, das menschliche Gedächtnis mit gehirnimplantierbaren Geräten zu verbessern. In den frühen 2000er Jahren schuf eine Gruppe von Wissenschaftlern unter seiner Leitung eine der ersten Hippocampus- Prothesen für experimentelle Nagetiere. Dieser Bereich des Gehirns ist für den Übergang des Kurzzeitgedächtnisses zum Langzeitgedächtnis verantwortlich. Zu den Symptomen der häufigsten Form der Demenz - der Alzheimer-Krankheit - gehört eine Kurzzeitgedächtnisstörung, und eines der ersten Anzeichen der Krankheit ist eine Verringerung des Volumens dieses Teils des Gehirns.

Im Jahr 2010 führte Berger eine Reihe von Experimenten an Ratten mit implantierten Elektroden durch, die die CA3- und CA1-Regionen des Hippocampus einfingen. Nagetiere lösten Probleme, indem sie sich in einer Kammer befanden, in der sich zwei Hebel in der Wand versteckten. Zuerst musste man den Hebel drücken, dann zog er sich für eine gewisse Zeit in die Wand zurück und nachdem die Ratte einen der beiden Hebel gewählt hatte, die erschienen waren. Um Wasser zu bekommen, musste das Nagetier den gegenüberliegenden Starthebel drücken, und wenn er denselben drückte, wurde das Subjekt durch Ausschalten des Lichts bestraft. Die Zeit zur Lösung des Problems wurde schrittweise von 5 auf 60 Sekunden erhöht. Die Elektroden zeichneten zu diesem Zeitpunkt die Signale von Neuronen auf, wenn der Hebel gedrückt wurde.



Mit dem aufgezeichneten "Code" konnten wir ein Stimulationsmodell erstellen, um die Leistung dieser Aufgabe zu verbessern. In der Grafik im unteren linken Teil des Bildes sind die Ergebnisse, die während der Hirnstimulation mit diesem Modell erhalten wurden, orange markiert, und die in der vorherigen Stufe des Experiments aufgezeichneten Kontrollergebnisse sind blau markiert. In diesem Fall wurde die Stimulation nicht im Moment des Erraten des Hebels durchgeführt, sondern im Moment der ersten Interaktion mit ihm - das heißt zum Auswendiglernen.


Hinzufügen künstlicher Signale (Theodore W. Berger, Robert E. Hampson, Dong Song, Anushka Goonawardena, Vasilis Z. Marmarelis, Sam A. Deadwyler, 2011)

Im Jahr 2011 demonstrierte das Berger-Team die Fähigkeit, das Tiergedächtnis mithilfe von Sensoren im Rattenhirn zu aktivieren und zu deaktivieren. Mit Drogen blockierten Nagetiere die Fähigkeit, Langzeitgedächtnisse zu erzeugen - sie blockierten die Arbeit der CA3-Region und stellten sie dann mithilfe von Elektroden wieder her. Künstliche Signale, die die Aktivität von Neuronen wiederherstellen, verbesserten den Prozentsatz der richtigen Antworten.


Ersetzen des natürlichen Hippocampus-Signals durch ein künstliches (Theodore W. Berger, Robert E. Hampson, Dong Song, Anushka Goonawardena, Vasilis Z. Marmarelis, Sam A. Deadwyler, 2011)

Im Jahr 2017 begannen Experimente an Menschen mit Elektroden, die in das Gehirn implantiert wurden. Zwanzig Freiwillige lösten die Aufgaben des Auswendiglernen. Zuerst zeichnete das Implantat neuronale Signale auf und „half“ der Person, sich an die Antwort auf die Aufgabe aufgrund der Hirnstimulation zu erinnern. Dann wurde das Kurzzeitgedächtnis um 15% verbessert. Eine neue Studie, die am 28. März 2018 veröffentlicht wurde , erhöhte diese Zahl auf 35-37%. Seit 2014 interessiert sich die DARPA-Agentur für das Thema Gedächtniswiederherstellung: Sie hat diese Studie finanziert und Zuschüsse für Forschungsarbeiten auf dem Gebiet der Schaffung von rückkopplungsimplantierbaren Sensoren im Gehirn gewährt.

Für eine neue Studie rekrutierte ein Team von Wissenschaftlern des Wake Forest Baptist Medical Center und der University of Southern California acht Patienten mit Epilepsie, die an einem diagnostischen Verfahren zur Hirnkartierung beteiligt waren. Elektroden wurden in verschiedenen Teilen des Gehirns der Teilnehmer installiert. Die Studie zielte auf das episodische Gedächtnis ab , das Informationen enthält, die für einen kurzen Zeitraum nützlich sind. Damit treten die Hauptprobleme bei Menschen mit Alzheimer-Krankheit, Schlaganfall und Kopfverletzungen auf.


Elektrodensystem zur Überwachung und Vervielfältigung der neuronalen Aktivität des Hippocampus

In einem Test führten die Patienten Aufgaben an farbigen geometrischen Formen durch, während Sensoren die Aktivität von Neuronen im Hippocampus aufzeichneten. Nachdem sie die angegebene Abbildung angezeigt hatten, mussten sie aus vier oder fünf Optionen auswählen. Die Stimulation des Gehirns in der richtigen Reihenfolge erhöhte die Effizienz der Lösung solcher Probleme um 37%. Der zweite Test bestand darin, die Fotos eine Stunde nach ihrer Präsentation zu erraten. Diesmal verbesserte die Stimulation die Leistung um 35%.

Im oberen linken Teil des mit „Ist“ gekennzeichneten Bildes befinden sich die aufgezeichneten Neuronensignale zwischen den als CA3 und CA1 bekannten Hippocampusregionen. Dies haben die Sensoren verfolgt, als die Teilnehmer die gegebenen Bilder betrachteten. Wissenschaftler analysierten die Aufzeichnungen, die während der richtigen Antworten gemacht wurden. und sie mit Feedback neu erstellt.


Quelle

„Wir haben bewiesen, dass wir in das Gedächtnis des Patienten gelangen, ein Signal aufzeichnen und es zurücksenden können. Selbst in Fällen, in denen das menschliche Gedächtnis beeinträchtigt ist, ist es möglich, Muster neuronaler Signale zu identifizieren und die richtigen Muster von den falschen Signalen zu trennen. Dann können wir dem Gehirn des Patienten bei der Bildung neuer Erinnerungen helfen - nicht um die Gedächtnisfunktion selbst zu ersetzen, sondern um sie zu verbessern. Jetzt versuchen wir herauszufinden, um wie viel es möglich ist, die Gedächtnisfunktion zu verbessern, aber wir hoffen, den Menschen in Zukunft dabei helfen zu können, bestimmte Erinnerungen aufzuzeichnen - zum Beispiel wo sie leben, wie ihre Enkel aussehen, wenn ihr eigenes Gedächtnis nicht mehr funktioniert “, sagt Robert Hampson, Professor für Physiologie. Pharmakologie und Neurologie Wake Forest Baptist Medical Center, einer der Autoren der Studie.



Das KerNEL-Startup arbeitet an der Kommerzialisierung der Berger-Technologie. Firmengründer Brian Johnson möchte nicht nur mit dem Verkauf von Geräten zur Speicherwiederherstellung beginnen, sondern auch neue Implantate entwickeln, um die Aufmerksamkeit und Kreativität des Menschen zu verbessern, dh über die medizinische Verwendung von Geräten hinauszugehen. In diesem Fall haben die Geräte die Möglichkeit, nicht mehr alle Anforderungen an medizinische Geräte zu erfüllen und sich mit Fitnessarmbändern zu messen.

Johnson hat Geld für das Projekt dank des Verkaufs von PayPal für 800 Millionen US-Dollar im Jahr 2013. Eine andere Person, die mit diesem Projekt verbunden ist, Ilon Musk, hat Neuralink im Jahr 2016 registriert und Mitarbeiter für die Hirnforschung eingestellt. Kurzfristig möchte Musk Geräte zur Behandlung verschiedener Gehirnerkrankungen herstellen, aber in Zukunft möchte er wie Johnson die Menschen verbessern. Einschließlich - ihnen telepathische Fähigkeiten geben. Im März 2018 wurde bekannt, dass die Firma Mask die Erlaubnis erhielt , in San Francisco mit Tieren zu experimentieren. Neurlalink sucht weiterhin nach Spezialisten im Team - die Website enthält Stellenangebote für Ingenieure aus den Bereichen Robotik, Mikroelektronik, Softwareentwickler und anderen. Eine der Hauptanforderungen ist der Wunsch, große Herausforderungen zu meistern.

In den letzten zwei Jahren hat DARPA an der Schaffung implantierbarer neuronaler Schnittstellen gearbeitet, um "eine beispiellose Signalauflösung und Bandbreite für die Übertragung von Informationen zwischen dem menschlichen Gehirn und elektronischen Systemen" zu erhalten. Es gibt interessante Beispiele für elastische Elektroden, beispielsweise ein Gerät, das von Wissenschaftlern der Universität Linkoping (Schweden) entwickelt wurde: Auf dieser Grundlage haben Forscher der Universität Lund in Schweden eine Lösung entwickelt , mit der Daten von mehr als 1 Million Neuronen in Echtzeit gespeichert und verarbeitet werden können und die mit einer Geschwindigkeit von 25 Rückmeldungen liefert Millisekunden.

Durch die Weiterentwicklung von Hardware- und Verarbeitungslösungen können wir einen Teil der Gehirnforschung auf das Gebiet der Software übertragen. Um die Effizienz zu steigern, ist eine Standardisierung aller Elemente von Neurocomputersystemen erforderlich. Aber im Moment ist das Science Fiction.