Künstliche Nervenzellen könnten chronische Krankheiten heilen

Eine Forschungsgruppe hat die elektrischen Eigenschaften biologischer Neuronen in Halbleiterchips repliziert. Mithilfe dieser Technologie lassen sich möglicherweise durch Erkrankungen wie Herzversagen oder Alzheimer verursachte Schädigungen beheben.

Gesundheit

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Die bioelektronische Medizin steht derzeit im Rampenlicht, denn sie verspricht neue Erkenntnisse zur Diagnose und Behandlung verschiedenster Krankheiten, darunter Krebs oder Herz-Kreislauf- sowie neurodegenerative Erkrankungen. Sie befindet sich an der Schnittstelle unterschiedlicher Fachbereiche – wie etwa der Biochemie, der Molekularmedizin, der Neurowissenschaft, der Immunologie, des Maschinenbaus und der Elektrotechnik sowie der Informatik und der Mathematik – und funktioniert im Wesentlichen durch elektronische Signalgebung innerhalb des Nervensystems.

Auf diesem Gebiet aktive Forscherinnen und Forscher nutzen bereits die verfügbaren Informationen zur Entwicklung biomedizinischer Geräte, mit denen sie in komplizierte neuronale Netzwerke vordringen. Die Herstellung künstlicher Neuronen hat sich jedoch aufgrund komplexer biologischer Herausforderungen und kaum kalkulierbarer neuronaler Reaktionen als schwierig erwiesen. Ein Forschungsteam hat sich jetzt mit Unterstützung des EU-finanzierten Projekts CResPace (Adaptive Bio-electronics for Chronic Cardiorespiratory Disease) diesem Thema angenommen.

Dazu entwickelte das Team künstliche Neuronen auf Siliziumchips, die genau simulieren können, wie echte lebende Nervenzellen auf verschiedene Stimulationen reagieren. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Nature Communications“ veröffentlicht. „In unserem Ansatz vereinen sich mehrere Durchbrüche, die neue Horizonte im Bereich Neuromorphic Engineering eröffnen, von der Programmierung analoger Computer bis zu weichen Bioimplantaten.“

Ideal für medizinische Implantate

In einer Pressemitteilung der für die Projektkoordination von CResPace zuständigen Universität Bath werden die Ergebnisse der Studie zusammengefasst. „Entscheidend ist, dass sich die künstlichen Neuronen nicht nur wie biologische verhalten, sondern darüber hinaus lediglich ein Milliardstel der Leistung eines Mikroprozessors benötigen und somit für den Einsatz in medizinischen Implantaten und sonstigen bioelektronischen Geräten hervorragend geeignet sind.“

In der Pressemitteilung heißt es weiter: „Künstliche Neuronen könnten durch Erkrankungen gestörte Biokreisläufe reparieren, indem sie deren gesunde Funktion replizieren und angemessen auf die biologischen Feedback-Signale reagieren, um auf diese Weise die Körperfunktion wiederherzustellen. Bei Herzversagen etwa reagieren die Neuronen im unteren Gehirnbereich nicht mehr richtig auf die Rückmeldungen des Nervensystems. Sie senden daraufhin nicht die richtigen Signale an das Herz, das wiederum nicht so kräftig schlägt, wie es eigentlich sollte.“

Es wird deutlich, welche Herausforderungen die Schaffung künstlicher Neuronen mit sich brachte. In der Mitteilung wird erläutert, wie das Forschungsteam diese bewältigte. „Den Forschenden gelang die Modellierung und Ableitung von Gleichungen, durch die sich erklären ließ, wie Neuronen auf elektrische Stimuli von anderen Nerven reagieren. Dies ist höchst kompliziert, da es sich um „nichtlineare“ Reaktionen handelt – anders ausgedrückt, wenn sich die Stärke eines Signals verdoppelt, verdoppelt sich nicht zwingend auch die Reaktion darauf; sie könnte genauso gut dreifach so stark oder ganz anders ausfallen.“

Prof. Alain Nogaret von der Universität Bath, Hauptautor der Studie, führt in der gleichen Pressemitteilung aus: „Unsere Arbeit hat einen Paradigmenwechsel eingeläutet, da sie eine robuste Methode bereitstellt, mit der sich die elektrischen Eigenschaften echter Neuronen bis ins kleinste Detail reproduzieren lassen.“ Er fügt hinzu, dass das Team „intelligente Schrittmacher entwickelt, die nicht nur das Herz stimulieren, damit es gleichmäßig schlägt, sondern diese Neuronen einsetzen, um in Echtzeit auf Belastungen des Herzens zu reagieren – also genau das tun, was in einem gesunden Herzen von selbst geschehen würde. Weitere Anwendungsmöglichkeiten liegen in der Behandlung von Krankheiten wie Alzheimer und neurodegenerativen Erkrankungen im Allgemeinen.“

Das Projekt CResPace, durch das die Studie gefördert wurde, läuft im Dezember 2021 aus. Ein wichtiger Anwendungsbereich für die im Rahmen des Projekts entwickelte Technologie ist die adaptive kardiale Resynchronisationstherapie, die sich auf kleine neuronale Netzwerke stützt, sogenannte zentrale Mustergeneratoren (ZMG). Diese neuronalen Schaltkreise kontrollieren Funktionen wie die Atmung und den Herzschlag sowie die Koordination der zum Schlucken erforderlichen Muskeln. In dem Projekt werden zentrale Mustergeneratoren mit physischer Hardware implementiert, um die natürliche Steuerung der Herzfrequenz zu replizieren und die Herzkammern neu zu synchronisieren. Die Projektpartner hoffen, dass CResPace verlängert wird und damit die Lebensqualität von Patientinnen und Patienten weiter verbessert werden kann.

Weitere Informationen:
CResPace-Projektwebsite

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Vereinigtes Königreich