Eine Prothese fürs Gehirn

Amerikanische und europäische Forscherteams haben in Tierversuchen erstmals geschädigte Hirnbereiche durch Elektronik ersetzt. Der Weg zum Einsatz beim Menschen ist allerdings noch weit.

Das menschliche Gehirn mit einem Chip aufzurüsten, davon träumten bislang vor allem Science-Fiction-Autoren. In ihren Geschichten ermöglichen solche Neuroimplantate den Zugang zum Cyberspace oder statten ihre Träger mit besonderen Fähigkeiten aus. In der Realität sind Hirnforscher von einem echten "Log-in" ins menschliche Gehirn noch weit entfernt. Allerdings könnten implantierbare Chips Patienten helfen, bei denen ein Tumor, Unfall oder Schlaganfall Hirngewebe zerstört hat, und ihnen die Funktion der verlorenen Gebiete wiedergeben. In Tierexperimenten konnten nun Forscher mit Prototypen für solche Gehirnprothesen erste Erfolge verzeichnen – und sind sich gleichzeitig uneins darüber, wie gut sie die Arbeitsweise des Gehirns verstehen müssen, um Teile davon durch elektronische Bauteile ersetzen zu können.

Der US-Wissenschaftler Theodore Berger von der University of Southern California in Los Angeles glaubt, dass es ausreicht, dem Gehirn bei seiner Arbeit richtig zuzuhören. Mit seinem Kollegen Samuel Deadwyler von der Wake Forest University in North Carolina implantierte er einen Chip mit 32 Elektroden in den sogenannten Hippocampus von Laborratten. Dieser Hirnbereich spielt eine wichtige Rolle beim Lernen und bei der Gedächtnisbildung.

Die Forscher brachten den Ratten zunächst bei, von zwei Hebeln in ihrem Käfig immer denjenigen zu drücken, den sie zuerst gezeigt bekamen. Während des Experiments wertete ein an die Elektroden angeschlossener Computer aus, welche Nervenzellsignale beim erfolgreichen Lernen im Gehirn der Ratten auftraten. Mit diesem Signalmuster stimulierten die Forscher in einem Folgeversuch das Gehirn derselben Nager, die sich daraufhin häufig an den richtigen Hebel erinnerten und weniger Fehler machten als beim natürlichen Lernen – sogar dann, wenn ein größerer Zeitraum nach dem Lernen vergangen war. Die Stimulation half den Tieren auch noch beim Erinnern, wenn die Forscher Teile des Hippocampus durch ein Medikament blockierten. Damit ist es den Wissenschaftlern tatsächlich gelungen, im Tiermodell ein ausgefallenes Hirnareal durch elektronische Stimulation zu ersetzen.

Um das System voll implantieren zu können, müsste es aber weiter miniaturisiert werden. Wichtiger ist für den Forscher allerdings, mit seinem System noch mehr Nervenzellen erreichen zu können, damit Menschen mit Hirnschäden später einmal davon profitieren. Schließlich ist an der Gedächtnisbildung im menschlichen Gehirn nicht nur der Hippocampus, sondern auch die Großhirnrinde beteiligt. Selbst wenn Bergers Gruppe all das schafft, bleibt immer noch ein Problem: Das System funktioniert nur, wenn es zuvor die richtige Lernaktivität im Gehirn aufnehmen konnte. Bei Patienten, deren Hippocampus zu schwer geschädigt ist, ist diese Aktivität aber nur sehr schwach ausgeprägt oder fehlt sogar ganz.

Aus diesem Grund hält der Neurowissenschaftler Paul Verschure vom katalanischen Institut für fortgeschrittene Wissenschaften in Barcelona den Ansatz von Bergers Team auch für falsch: "Wir müssen erst mal verstehen, wie das Gehirn tatsächlich arbeitet, wenn wir einzelne Hirnteile nachbilden wollen." Der Niederländer hat selbst eine Gehirnprothese entwickelt, sich dafür aber einen ganz anderen Hirnteil als Forschungsobjekt ausgewählt. Das Kleinhirn liegt als gefurchter Knubbel unter dem Großhirn und ist zuständig für die Planung und Koordination von Bewegungsabläufen. Auch das Erlernen von motorischen Automatismen, wie sie für das Radfahren oder Klavierspielen erforderlich sind, fin-det im Kleinhirn statt. Anders als beim Hippocampus sind die Verschaltungen der Nervenzellen im Kleinhirn bekannt.

Mit diesem Wissen hat Paul Verschure gemeinsam mit anderen Arbeitsgruppen aus ganz Europa einen Chip entwickelt, der einzelne Schaltkreise aus dem Kleinhirn exakt nachbildet. In Tierversuchen untersuchte der israelische Forscher Matti Mintz an der Universität von Tel Aviv dann, ob der sogenannte ReNaChip (Rehabilitation Nano Chip) bei Ratten den Lidschluss auslösen kann. In dem Experiment ertönt kurz vor einem leichten Luftstoß gegen das Auge der Tiere ein Signalton. Junge Ratten lernen sehr schnell, ihr Auge rechtzeitig vor dem Luftstoß zu schließen. Alte Ratten scheitern dagegen häufig an diesem einfachen Lerntest. Mit Unterstützung des Chips konnten allerdings auch die alten Tiere rechtzeitig ihr Augenlid schließen.

Dieser Chip wurde bereits so weit verkleinert, dass er kom-plett implantierbar ist, und wird von Mintz in ersten Experimenten mit alternden Ratten erprobt. Sollten die Ergebnisse ähnlich gut ausfallen wie die der vorangegangenen Studien, wollen die Wissenschaftler weitere Schaltkreise aus dem Kleinhirn auf dem Chip nachbilden. "Bislang arbeiten wir nur mit zwei bis drei Schaltkreisen. Wenn wir aber wirklich eine Gehirnprothese für den Menschen entwickeln wollen, müssen wir mit Hunderten oder Tausenden von Verschaltungen klarkommen", sagt Verschure. Neben Menschen, deren Kleinhirn beschädigt ist, hat der holländische Wissenschaftler noch eine andere Zielgruppe im Blick. Der Chip könnte für Roboter das leisten, was das Kleinhirn für den Menschen tut: Die Bewegungen der Gliedmaßen koordinieren und ihnen so beim Gehen helfen. (bsc)