Wie man verlorene Gehirnfunktionen repariert

US-Forscher arbeiten an Hirnprothesen, die helfen sollen, das Langzeitgedächtnis wiederherzustellen.

Wie lässt sich eine elektronische Gehirnprothese entwickeln, die die verlorene Fähigkeit einer Person, Langzeiterinnerungen zu bilden, erneuern kann? Experimente von Theodore Berger, Sam Deadwyler und weiteren Forschern am Wake Forest Baptist Medical Center im amerikanischen Winston-Salem zeigen, wie das gehen könnte.

Das Wissenschaftlerteam, das mit Kollegen an der University of Kentucky in Lexington zusammenarbeitet, konnte im letzten Jahr ein Implantat präsentieren, das die Aktivität eines Hirnzellenbereiches speichern und diese dann an einen weiteren Hirnzellenbereich weiterleiten kann. So ließen sich im Tierversuch an Affen regulär nicht mehr zur Verfügung stehende Gehirnfunktionen ersetzen.

Im Versuch wurde ein Array aus Elektroden verwendet, um die elektrischen Signale der Hirnzellen im präfrontalen Cortex zu erfassen - einer Gehirnregion, die unter anderem für die Entscheidungsfindung zuständig ist und auch den Bereich Erinnerung mitsteuert. Fünf Affen wurden bei einem Experiment zunächst darauf trainiert, sich ein Bild zu merken. Anschließend mussten sie über Handbewegungen einen Mauszeiger auf dieses Bild bewegen, das in einer Sammlung mit mehreren Aufnahmen enthalten war.

Die neuronale Aktivität der Tiere wurde über ein winziges Erfassungsgerät in einem keramischen Gehäuse gespeichert und an einen externen Rechner weitergeleitet. Im ersten Teil des Experiments analysierten die Forscher zunächst die Gehirnaktivität, die vom Cortex aufgenommen worden war.

Dann wurde es allerdings knifflig: Erinnerungen werden gebildet, indem eine Anzahl Nervenzellen die Signale eines anderen Nervenzellenbereiches verarbeitet.
Doch wie lässt sich diese Verarbeitung elektronisch nachbilden? Zunächst musste deshalb herausgefunden werden, welche Codierung das Gehirn hierbei verwendet. Aus den ankommenden Signalen bildeten die Forscher durch Extrapolation ein sogenanntes MIMO-Modell (multiple input / multiple output), das die Nervenaktivitäten charakterisiert. Dieses mathematische Modell konnte das neuronale Muster scheinbar nachbilden, das von dem Elektrodenimplantat erfasst wurde.

Um zu demonstrieren, dass das Modell funktioniert, gaben die Forscher den Affen Kokain. Das Narkotikum führte dazu, dass sie sich nur schlecht an das korrekte Bild erinnern konnten. Mit dem Implantat und dem MIMO-Modell als Übersetzer zwischen den ankommenden Signalen und der Weitergabe an andere Nervenzellen war es den Tieren aber auch dann möglich, das richtige Bild auszuwählen. Und zwar genauso verlässlich wie im nüchternen Zustand, meistens sogar etwas besser.

Allerdings stellt sich noch die Frage, wie man defekte Gehirnfunktionen direkt ersetzen könnte, etwa die Bildung von Langzeiterinnerungen. In diesem Fall würde es nicht ausreichen, einfach die Verarbeitung der Signale eines bestimmten Gedächtnisvorgangs zu simulieren - ein generisches Modell müsste her. Frühe Studien zeigen aber, dass Aufzeichnungen aus dem Gehirn gesunder Personen helfen könnten. "Wir haben eine Anzahl von Nagern aufgenommen und konnten ein Modell ableiten, das für mehrere Verarbeitungsprozesse gilt", sagt Deadwyler. Das Forscherteam muss nun prüfen, ob die gleichen Regeln auch bei Affen gelten. Sollte das der Fall sein, könnte das MIMO-Modell eine ganze Reihe von Verarbeitungsprozessen ersetzen, die regulär im Gehirn ablaufen, meint der Neurowissenschaftler. (bsc)