Wissenschaftler entdecken, wie man das Gehirn hacken kann, ohne zur Operation greifen zu müssen

Viele legitime Wissenschaft - und viele Science-Fiction - diskutieren Möglichkeiten, wie man „das Gehirn hacken“ kann. Was das wirklich bedeutet - selbst in den fiktiven Beispielen -, bedeutet dies die Operation, das Öffnen des Schädels, um Drähte oder Geräte physisch zu implantieren in das Gehirn.

Aber das ist schwierig, gefährlich und möglicherweise tödlich. Es wäre klüger, mit dem Gehirn zu arbeiten, ohne die Schädel der Patienten öffnen zu müssen. Neurologische Störungen sind häufig und betreffen mehr als eine Milliarde Menschen weltweit, jeden Alters, Geschlechts sowie Bildungs ​​- und Einkommensniveau. Die Forschung meines Neural-Engineering-Teams als Teil einer breiteren Anstrengung in der gesamten Biotechnologie-Disziplin beschäftigt sich mit dem Verständnis und der Erleichterung verschiedener neurologischer Funktionsstörungen wie Multiple Sklerose, Autismus-Spektrum-Störung und Alzheimer-Krankheit.

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Die Erkennung und Beeinflussung der Gehirnaktivität von außerhalb des Schädels könnte es Ärzten ermöglichen, ein breites Spektrum schwächender Erkrankungen des Nervensystems und psychische Störungen ohne invasive Operation zu diagnostizieren und zu behandeln.

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Drahtlose Verbindungen im Gehirn

Meine Gruppe glaubt, dass wir die ersten sind, die eine neue Art entdeckt haben, wie Nervenzellen miteinander kommunizieren. Es ist bekannt, dass Nerven über physikalische Verbindungen - oder auch als "verdrahtete" Verbindungen bezeichnet werden, bei denen die Axone einer Nervenzelle elektrische und chemische Signale an die Dendriten einer benachbarten Zelle senden.

Unsere Forschung hat gezeigt, dass Nervenzellen auch drahtlos kommunizieren, indem sie die drahtgebundene Aktivität verwenden, um kleine elektrische Felder zu erzeugen und die Felder zu erkennen, die von benachbarten Zellen erzeugt werden. Dies schafft die Möglichkeit für viele weitere neuronale Pfade und kann erklären, warum sich verschiedene Teile des Gehirns während der Ausführung komplizierter Aufgaben so schnell verbinden.

Wir konnten diese elektrischen Felder von außerhalb des Schädels überwachen und die Nervenkommunikation effektiv mithören. Wir hoffen, dass uns dies helfen wird, alternative, gesunde Verbindungen für durch Multiple Sklerose geschädigte Nerven zu finden oder die Nervenaktivität aufgrund einer Störung des Autismus-Spektrums auszugleichen oder Nervenzellen vorzubereiten, die in bestimmten Mustern zusammen feuern und die durch Alzheimer-Krankheit verlorenen Langzeitgedächtnisse wiederherstellen.

Insbesondere haben wir festgestellt, dass, wenn eine isolierte oder myelinisierte Nervenfaser im Gehirn aktiv ist und Signale, die als Aktionspotential bezeichnet werden, entlang ihrer Länge gesendet werden, spezielle Regionen entlang ihrer Länge ein sehr kleines elektrisches Feld erzeugen. Die zellulären Regionen, in denen dies geschieht, die als Knoten von Ranvier bezeichnet werden, wirken wie kleine Antennen, die elektrische Signale senden und empfangen können.

Jede Störung der beiden hochspezialisierten Strukturen - der Myelinscheide oder des Ranvier-Knotens - führt nicht nur zu einer neurologischen Dysfunktion, sondern auch das umgebende elektrische Feld ändert sich.

Nerven hören

Die technologische Herausforderung besteht darin, genau auf bestimmte Teile des Gehirns zu zielen. Das Gerät muss Signale aus Bereichen empfangen, die etwa dem Durchmesser eines menschlichen Haares entsprechen und einige Zentimeter tief im Gehirn liegen.

Eine Möglichkeit besteht darin, eine kleine Anzahl flexibler Antennenflecken auf dem Schädel zu platzieren, um eine sogenannte „Gehirnlinse“ zu schaffen. Durch den Vergleich der Messwerte mehrerer Flecken können wir genau die Nerven anvisieren, auf die Sie hören möchten. Wir entwerfen und experimentieren mit Metamaterialien - auf molekularer Ebene konstruierten Materialien -, die sich besonders gut als hochgenaue Antennen eignen, die auf Signale von ganz bestimmten Orten abgestimmt werden können.

Kein Schmerz, aber potentiell großer Gewinn

Durch Abhören der drahtlosen Kommunikation zwischen den Nerven können wir Bereiche des Gehirns identifizieren, in denen die elektrischen Felder auf Probleme hinweisen. Die detaillierten Merkmale der Nervenaktivität - oder der Mangel an Aktivität - können Anhaltspunkte dafür geben, welches spezifische Problem im Gehirn auftritt. Diese Erkenntnisse könnten dazu beitragen, potenzielle Erkrankungen weitaus leichter zu diagnostizieren als bisherige Methoden.

Sehen Sie sich zum Beispiel den konkreten Fall eines Patienten an, einer 38-jährigen Frau, die wir "Bianca" nennen, bei der Multiple Sklerose diagnostiziert wurde, eine degenerative Erkrankung des Gehirns und des Rückenmarks, für die keine Heilung bekannt ist. Das Immunsystem von Patienten mit Multipler Sklerose schädigt die Myelinscheide zwischen den Knoten von Ranvier und verursacht Kommunikationsprobleme zwischen dem Gehirn und dem restlichen Körper. Dieser Schaden verändert die Aktivität in den betroffenen Nerven radikal.

Um das Fortschreiten ihrer Krankheit zu überwachen, hatte Bianca Rückenmarkierungen, um zu sehen, ob ihre Rückenmarksflüssigkeit hohe Mengen an bestimmten Antikörpern im Zusammenhang mit MS aufweist. Sie hat auch MRI-Aufnahmen gemacht, um die Bereiche ihres Gehirns aufzudecken, in denen das Myelin geschädigt ist, und wird zusätzlichen Tests unterzogen, um festzustellen, wie schnell Informationen durch ihr Nervensystem fließen.

Die Verwendung eines Brainsenglases würde es den Ärzten ermöglichen, Biancas Gehirn ohne schmerzhafte Rückenschmerzen und unbequeme und zeitaufwändige MRI- und CT-Untersuchungen zu überwachen. Möglicherweise kann es Bianca eines Tages ermöglichen, ihr eigenes Gehirn zu überwachen und die Daten zur Auswertung an ihren Spezialisten zu senden.

Therapeutische Behandlung ohne Medikamente und Chirurgie

Darüber hinaus hoffen wir, dass unser Ansatz zu neuen Therapien führen kann, die auch für Patienten einfacher sind. Im Moment nimmt Bianca mehrere Medikamente, die ein erhebliches Gesundheitsrisiko mit sich bringen und sie sich oft übel und müde fühlen. Sie ist eine von vielen, die eine andere Therapieoption ausprobieren möchten.

Diese Arbeit soll über die Identifizierung der Regionen ihres Gehirns hinausgehen, in denen die elektrischen Felder auf ungesunde Zustände hinweisen. Inspiriert von Computernetzwerkmanagement und fortschrittlichen digitalen Netzwerken, die Signale um beschädigte oder unterbrochene Bereiche leiten, entwickeln wir eine Methode, mit der unser Scalp-Patch-System auch Nachrichten an das Gehirn senden kann.

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Jede beschädigte Nervenfaser ist im Allgemeinen eine von Tausenden, die in einem Nervenfasertrakt zusammengepackt sind, wobei benachbarte Nervenfasern normalerweise gesund sind. Unser Gerät könnte dazu beitragen, Stellen mit Myelinschaden zu identifizieren und diesen Nervenfasern vor dem Schaden zu folgen, um deren ungestörte Signale zu erfassen. Dann würden wir die Gehirnlinse verwenden, um komplementäre elektrische Felder in das Gehirn zu übertragen und diese gesunden Signale an die Bereiche um den Myelinschaden zu senden, um benachbarte Nervenfasern dazu zu ermutigen, die Nachrichten zu transportieren, die die beschädigte Faser nicht kann.

Bisher konnten wir diesen Ansatz in einer Supercomputing-Umgebung simulieren, in der Gehirnnervenparameter von klinischen Forschungslabors bereitgestellt wurden. In den kommenden Monaten werden wir einen Prototyp einer Gehirnlinse bauen und testen. Das Hören im Gehirn und die Kommunikation mit ihm bietet faszinierende neue Möglichkeiten für die medizinische Diagnose und Behandlung ohne Operation.

Dieser Artikel wurde ursprünglich von Salvatore Domenic Morgera bei The Conversation veröffentlicht. Lesen Sie hier den Originalartikel.