Wissenschaftler manipulieren Gehirnzellen mit einem Smartphone

Wissenschaftler manipulieren Gehirnzellen mit einem Smartphone

Seoul, 13.8.2019

Die Forscher der Jeong-Gruppe am KAIST, Südkorea, entwickeln weiche Elektronik für tragbare und implantierbare Geräte. Die Neurowissenschaftler des Bruchas Lab in Seattle untersuchen Hirnschaltungen, die Stress, Depressionen, Sucht, Schmerzen und andere neuropsychiatrische Störungen kontrollieren. Nun führte die Zusammenarbeit von Ingenieuren und Neurowissenschaftlern beider Institute über drei Jahre und Dutzende von Design-Iterationen zur erfolgreichen Validierung eines Gehirnimplantats, das über ein Smartphone gesteurt wird. Das Gerät könnte die Bemühungen zur Aufdeckung von Hirnerkrankungen wie Parkinson, Alzheimer, Sucht, Depressionen und Schmerzen beschleunigen. Eine entsprechende Studie verörentlichten die Forschre in „Nature Biomedical Engineering“ veröffentlicht.

Darin heißt es, dass das weiche neuronale Implantat das erste drahtlose neuronale Gerät ist, das mehrere Medikamente und Farblichter liefern kann. „Das drahtlose neuronale Gerät ermöglicht eine dauerhafte chemische und optische Neuromodulation, wie sie noch nie zuvor erreicht wurde“, so Hauptautor Raza Qazi, Forscher am Korea Advanced Institute of Science and Technology und an der University of Colorado Boulder.

Co-Autor Michael Bruchas, Professor für Anästhesiologie und Schmerzmedizin und Pharmakologie an der University of Washington School of Medicine, sagte, diese Technologie werde den Forschern in vielerlei Hinsicht helfen. Ein Beispiel: „Es erlaubt uns, die neuronale Schaltkreisbasis des Verhaltens besser zu analysieren und wie spezifische Neuromodulatoren im Gehirn das Verhalten auf verschiedene Weise einzustellen“. Außerdem „sind wir auch bestrebt, das Gerät für komplexe pharmakologische Studien einzusetzen, die uns helfen könnten, neue Therapeutika gegen Schmerzen, Sucht und emotionale Störungen zu entwickeln.“

Das Gerät verwendet Lego-ähnliche austauschbare Medikamentenkartuschen und leistungsstarke Bluetooth-Niedrigenergie, um Medikamente und Licht an bestimmte Neuronen von Interesse zu liefern. Nach Meinung der Forscher übertreffe diese Technologie die herkömmlichen neurowissenschaftlichen Methoden, denn die würden normalerweise starre Metallrohre und Glasfasern beinhalten. Abgesehen davon, dass die Bewegung des Probanden durch die physischen Verbindungen mit sperrigen Geräten eingeschränkt wird, führt ihre relativ starre Struktur mit der Zeit zu Läsionen im Weichhirngewebe und ist daher für eine langfristige Implantation nicht geeignet. Obwohl einige Bemühungen die unerwünschte Gewebereaktion durch die Integration von weichen Sonden und drahtlosen Plattformen teilweise abgeschwächt haben, waren die bisherigen Lösungen durch ihre Unfähigkeit, Medikamente über einen längeren Zeitraum zu verabreichen, sowie durch ihre umfangreichen und komplexen Kontrollstrukturen eingeschränkt.

Um eine chronische drahtlose Medikamentenverabreichung zu erreichen, mussten die Wissenschaftler das Problem der Erschöpfung und Verdunstung von Medikamenten lösen. Die Forscher arbeiteten zusammen, um das neuronale Gerät zu erfinden, das es den Neurowissenschaftlern ermöglichen könnte, dieselben Hirnschaltungen mehrere Monate lang zu untersuchen, ohne sich Sorgen zu machen, dass die Medikamente ausgehen.

Diese „Plug and Play“-Drogenkartuschen wurden zu einem Gehirnimplantat für Mäuse mit einer weichen und ultradünnen Sonde zusammengefügt, der Dicke eines menschlichen Haares, das aus mikrofluidischen Kanälen und winzigen LEDs bestand, die kleiner als ein Salzkorn waren, für unbegrenzte Medikamentendosen und Lichtverteilung.

Gesteuert mit einer eleganten, einfachen Benutzeroberfläche auf einem Smartphone, kann das Gerät problemlos jede spezifische Kombination oder präzise Sequenzierung von Licht- und Medikamentenabgaben in jedem implantierten Zieltier auslösen, ohne dass es sich im Labor befinden muss. Mit diesen drahtlosen neuronalen Geräten könnten die Forscher auch ganz einfach vollautomatische Tierversuche durchführen, bei denen das Verhalten eines Tieres das Verhalten bei anderen Tieren durch bedingte Auslösung von Licht und/oder Medikamentenabgabe positiv oder negativ beeinflussen könnte.

„Dieses revolutionäre Gerät ist das Ergebnis fortschrittlichen Elektronikdesigns und leistungsstarker Mikro- und Nanotechnologie“, sagte Jae-Woong Jeong, Professor für Elektrotechnik bei KAIST. „Wir sind daran interessiert, diese Technologie weiterzuentwickeln, um ein Hirnimplantat für klinische Anwendungen herzustellen.“