Hybriden Gehirnregenerationstechniken den Weg ebnen
Während die Regeneration von Teilen des Körpers wie Haut, Knochen und Knorpel möglich ist, stellt die Wiederherstellung von Hirngewebe eine weitaus größere Herausforderung dar. Die derzeitige Behandlung von Gehirnerkrankungen wie Epilepsie und Hirnschäden zielt daher eher auf die Symptome als auf die zugrunde liegende Ursache ab. Eine Möglichkeit zur Regeneration von Hirngewebe könnte darin bestehen, dass Stammzellen in das Wirtshirn transplantiert werden. Die Idee ist es, dass diese Zellen dann zu neuen gesunden Neuronen werden. Dieser Ansatz ist jedoch aus einer Reihe von Gründen riskant. Zunächst einmal haben Stammzellen das Potenzial, sich schnell zu vermehren, so dass sie zu einer Masse anwachsen oder sich in einen Tumor verwandeln könnten.
Biohybride Hirngewebetransplantate
Die Idee hinter Projekt HERMES(öffnet in neuem Fenster), das vom Italienischen Institut für Technologie (IIT)(öffnet in neuem Fenster) in Italien koordiniert wird, war es, ein System zu entwickeln, mit dem Stammzelltransplantate unter Verwendung von technischen Vorrichtungen kontrolliert werden können, damit mehr Stabilität und Sicherheit gewährleistet ist. Im Erfolgsfall könnte dies den Weg zu tragfähigen Hirngewebetransplantaten ebnen. „Meine Idee beruhte auf der Entwicklung eines wirklich biohybriden Hirngewebetransplantats, das eine biologische Komponente mit einem neuromorphen Gerät und einer KI-Komponente zur Steuerung des Prozesses kombiniert“, erklärt Projektkoordinatorin Gabriella Panuccio. „Die KI-Komponente trainiert das Gerät, bis es lernt, das biologische Transplantat im Gehirn zu ‚verwalten‘. Die KI und das neuromorphe Gerät werden dann ‚ausgesteckt‘, sobald das Gehirn geheilt ist.“
Modell-Wirte, Modell-Transplantate und KI-Systeme
Die Demonstration dieses Konzepts erwies sich jedoch als äußerst herausfordernd. Auf der In-vivo-Seite musste eine spezielle minimal-invasive neurochirurgische Technik entwickelt werden, um die Injektion von Stammzellen und Biomaterial in flüssiger Form an der richtigen Stelle zu ermöglichen. „Es handelte sich um eine Stammzellenkultur, die zu Hippocampus-Neuronen werden sollten“, sagt Panuccio. Pilotversuche an Tiermodellen halfen dem Team jedoch dabei, Strategien der Neuromodulation (also Möglichkeiten zur Veränderung der Aktivität des Nervensystems mittels elektrischer Reizung) zu entwerfen. Gleichzeitig konnte Panuccio unter Verwendung der In-vitro-Technologie demonstrieren, wie ihr biohybrider Ansatz in der Praxis funktionieren könnte, während der Modell-Wirt, das Modell-Transplantat, das neuromorphe Gerät und das KI-System harmonisch zusammenarbeiten. Bei der entwickelten KI handelt es sich um ein Multi-Agens-System mit verschiedenen Komponenten, die unterschiedlichen Zwecken dienen, aber alle miteinander kommunizieren. „Ein wichtiger Meilenstein war, die Inbetriebnahme der gesamten biohybriden Architektur zu erreichen“, erklärt sie. „Dies gestaltet sich keineswegs einfach, da kommerzielle Technologie zur Unterstützung dieser Forschung im Anfangsstadium nicht ohne Weiteres verfügbar war.“
Externe biohybride Konstrukte
In-vitro-Demonstrationen zeigten, wie die verschiedenen Komponenten des biohybriden Systems miteinander kommunizieren und zusammenarbeiten, wobei die KI-Komponente die Parameter des neuromorphen Geräts in Echtzeit während der durch elektrische Reizung vermittelten Interaktion zwischen Transplantat und Wirt abstimmt. „Die Forschung zur Hirnregeneration befindet sich noch in einem sehr frühen Stadium“, fügt Panuccio hinzu. „Es gibt nach wie vor Schwierigkeiten bei der Transplantation und Differenzierung von Stammzellen sowie eine Reihe offener Fragen. Im Rahmen dieses Projekts wurden beispielsweise zwei Modell-Transplantate entwickelt – davon erwies sich eines als epileptogen (Anfälle erzeugend) und eines als nicht epileptogen. Warum ist dies der Fall? Und wird das nicht epileptogene Transplantat epileptogen, wenn es in ein epileptisches Gehirn transplantiert wird?“ Als Zwischenschritt kann laut Einschätzung von Panuccio ein externes biohybrides Konstrukt verwendet werden, um besser zu verstehen, wie die Kommunikation zwischen dem Gehirn und einem möglichen biohybriden Transplantat funktionieren könnte. Panuccio hat außerdem Neurotronika(öffnet in neuem Fenster) gegründet, ein Start-up-Unternehmen im Bereich Medizintechnik, das auf die Anwendung von symbiotischer Neuromodulation zur Behandlung von Epilepsie ausgerichtet ist.
