Gehirn-Computer-Schnittstelle zur Behandlung neurologischer Krankheiten
Das Gehirn ist ein bemerkenswert komplexes Netzwerk, das eine Evolution durchlaufen hat, um reale Eindrücke durch elektrische Ereignisse und selbstorganisierende Verbindungen verarbeiten zu können. Wenn diese Netzwerke nicht richtig funktionieren, können neurologische Krankheiten wie Parkinson und Demenz die Folge sein. Im Rahmen des EU-finanzierten Projekts SYNCH haben Forschende eine hochmoderne Gehirn-Computer-Schnittstelle entwickelt, die ein künstliches Netzwerk auf einem Siliziumchip mit einem biologischen Netzwerk in einem Rattenhirn vereint. Die Idee besteht darin, eines Tages mit einem derartigen System Botschaften über beschädigte neuronale Netzwerke im menschlichen Gehirn hinweg zu senden. „Unsere Vision ist, dass eines Tages künstliche Neuronen geschädigte Neuronen im Gehirn ersetzen und die Funktion wiederherstellen werden, indem sie Signale empfangen und an die unbeschädigten Neuronen senden; aber da haben wir noch einen weiten Weg vor uns“, sagt Stefano Vassanelli, außerordentlicher Professor für Physiologie an der Universität Padua.
Eine innovative Idee, geboren im Labor
Im Verlauf eines früheren EU-finanzierten Projekts entdeckten Vassanelli und sein Team, dass sie Gehirnneuronen in einer Kulturschale und künstliche Neuronen auf einem Chip dazu bringen können, Signale auf ähnliche Weise wie Neuronen im Gehirn auszutauschen. „Warum also nicht versuchen, künstliche und biologische Neuronen im echten Gehirn auf die gleiche Weise miteinander kommunizieren zu lassen? Das war der Anfang von SYNCH“, erklärt Vassanelli. Die neue Vorrichtung wird in das Tiergehirn implantiert und kann von außen gesteuert werden. Das Team ist jedoch davon überzeugt, dass Implantate dieser Art dank der vom Gehirn inspirierten künstlichen Intelligenz effizienter und autonomer werden und die Funktion des Gehirns immer besser wiederherstellen werden können. Im Rahmen des Projekts SYNCH konnten die Forschenden mit Erfolg den Konzeptnachweis der Technologie anhand eines Rattenhirns erbringen. Die künstlichen Neuronen, so beobachteten sie, konnten verstehen, wenn dem Tier Tastreize gegeben wurden, oder diese von anderen Neuronen in tiefen Hirnstrukturen stammten – wenn diese sensorischen Reize mit einer internen Belohnung und Lernen verbunden waren. Umgekehrt haben sie gezeigt, dass die künstlichen Neuronen die Neuronen des Gehirns bis zu einem gewissen Grad steuern können.
Über das Internet mit einem Rattenhirn sprechen
Einer Ratte ein künstliches Gehirn einzupflanzen, würde auf alle Fälle mit einer Reihe von Herausforderungen einhergehen. Doch die COVID-19-Pandemie brachte auch noch ihre ganz eigenen Schwierigkeiten mit sich, da alle Teile der Gehirnschnittstelle in verschiedenen Ländern feststeckten. Dennoch gelang es dem Team, einen Weg zu finden. „Durch das Versenden von Signalen über das Internet konnten wir einen Hybrid aus Gehirn und künstlichen Neuronen schaffen, der über ganz Europa verteilt war“, fügt Vassanelli hinzu. „Die Kommunikation war aufgrund von Internetverzögerungen nicht optimal, aber für die Entwicklung der Technologie war sie sehr hilfreich.“ Die grundlegendste Herausforderung bestand darin, den Nachweis zu erbringen, dass künstliche Neuronen in der Lage sind, unterschiedliche Informationsinhalte in der Aktivität von Gehirnneuronen zu unterscheiden und entsprechende Signale zu senden, um ihre Aktivität auf kontrollierte Weise abzustimmen. „Dies erforderte große Anstrengungen, sowohl bei der Entwicklung theoretischer Algorithmen zur Steuerung des künstlichen neuronalen Netzes als auch bei der Kommunikationstechnik zur Aufzeichnung und Übertragung von Signalen in Echtzeit“, berichtet Vassanelli.
Auf dem Weg zu einer Schnittstelle zwischen menschlichem Gehirn und Computer
Ziel des Teams ist es nun, die Technologie im Hinblick auf Tragbarkeit, Biokompatibilität und Anwendungssicherheit derart zu gestalten, dass sie in das menschliche Gehirn implantiert werden kann. „Wir müssen die Wirksamkeit und Sicherheit der Vorrichtung in einem Tiermodell für eine Krankheit wie etwa Parkinson nachweisen und sie dann an Betroffenen demonstrieren“, so Vassanelli abschließend.
Schlüsselbegriffe
SYNCH, Gehirn, Computer, Schnittstelle, Mensch, Ratte, Kommunikation, neuronal, Netzwerk