Ein Herzschrittmacher auf neuronaler Basis
Bei gesunden Menschen variiert die Herzfrequenz im Atemzyklus, sodass das Herz beim Einatmen etwas schneller schlägt als beim Ausatmen. Diese Modulation der Herzschlagfrequenz durch die Atmung wird als respiratorische Sinusarrhythmie bezeichnet. Ihre Verschlechterung ist ein Vorzeichen für chronische Herzerkrankungen wie chronische Arrhythmien oder Herzinsuffizienz. Die Wiederherstellung der Schlag-zu-Schlag-Herzfrequenzvariabilität bietet einer Hypothese einen wesentlichen Behandlungsansatz für solche Erkrankungen, die durch bestehende Therapien nicht ausreichend angegangen werden. Eine Vorrichtung, die auf physiologische Rückkopplung ähnlich reagiert wie respiratorische Neuronen könnte demnach eine wertvolle Behandlungsmöglichkeit bei chronischen Herzerkrankungen darstellen.
Ein Herzschrittmacher, der den natürlichen Herzschlag nachahmt
Das EU-finanzierte Projekt CResPace entwickelte einen neuartigen Herzschrittmacher, der dieses Paradigma aufgreift: er resynchronisiert die Herzkammern und stellt zugleich die Fähigkeit wieder her, die Herzfrequenz und die zwischen den Herzkammeraktivierungen liegenden Verzögerungen an die physiologische Rückkopplung von Schlag zu Schlag anzupassen. Der Schrittmacher von CResPace funktioniert anders als herkömmliche Herzschrittmacher, die in einem gleichmäßigen Rhythmus elektrische Pulse an den Herzmuskel abgeben, um einen regelmäßigen Herzschlag zu gewährleisten. Die CResPace-Technologie hingegen repliziert die Funktion der sogenannten zentralen Mustergeneratoren (Central Pattern Generators). Dabei handelt es sich um neuronale Schaltkreise an der Basis des Gehirns, die die Atmung und Herzfrequenz steuern. „Unser Schrittmacher resynchronisiert die Kontraktion der Herzkammern bei Veränderungen von arterieller Sauerstoffsättigung, arterieller CO2-Sättigung und Blutdruck und kann chronische Herzerkrankungen so umkehren“, erklärt Projektkoordinator Alain Nogaret. Für diese Innovation entwarf das Team Sensoren zur Überwachung der arteriellen Gase sowie Blutdrucksensoren, die die erfassten Informationen in Echtzeit in den Schrittmacher einspeisen. Diese Sensoren wurden miniaturisiert und werden voraussichtlich in vielen weiteren bioelektronischen Vorrichtungen zur Überwachung von und Anpassung an die physiologische Rückkopplung Anwendung finden.
Computergestützte Werkzeuge, um der neuronalen Dynamik Herr zu werden
Eine wesentliche Herausforderung und Barriere bei der Implementierung von neuronaler Elektronik in bioelektronische Vorrichtungen bestand darin, die korrekte Anpassung an die physiologischen Eingangssignale zu gewährleisten. Um das zu schaffen, entwickelten die Forschenden fortschrittliche computergestützte Technologien, die die optimalen Schaltkreisparameter ermitteln, sodass die Anpassung an das gesunde Herz repliziert werden kann. Die neuronalen Schaltkreise sorgen nicht nur für die korrekte Anpassung, sondern besitzen auch die einzigartige Fähigkeit, biologische Rhythmen zu resynchronisieren, was durch das nichtlineare Antwortverhalten der Neuronen ermöglicht wird. Diese Funktionsweise spart dem kranken Herzen Energie und kann im Zusammenspiel mit der Anpassung die Herzfunktion in Krankheitsmodellen erheblich verbessern. „Die Aussicht darauf, das Fortschreiten dieser tödlichen Herzerkrankungen aufzuhalten und zu heilen, ist eine bedeutende Errungenschaft des Projekts“, betont Nogaret.
Validierung des Herzschrittmachers
Der Herzschrittmacher wurde unter operativen Bedingungen in Krankheitsmodellen validiert, wobei die Wiederherstellung der Herzfunktion und die respiratorische Modulation geprüft wurde. In der nächsten Entwicklungsphase soll die Technologie für den Einsatz am Menschen weiterentwickelt und mit den Anforderungen für die CE-Konformität in Einklang gebracht werden. Das Grundkonzept der Technologie kann auf andere Krankheiten ausgeweitet werden, um die normale Funktion der betroffenen Organe wiederherzustellen. Vielmehr noch liefert der CResPace-Ansatz ein Fundament für neuromorphes Rechnen, da er die native neuronale Dynamik realitätstreu nachbilden kann.
Schlüsselbegriffe
CResPace, Herzschrittmacher, neuronale Schaltkreise, respiratorische Sinusarrhythmie, Central Pattern Generators, zentrale Mustergeneratoren
