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Jahr für Jahr ist das Tempo neurowissenschaftlicher Entdeckungen gleichermaßen aufregend und unerbittlich. Genießen Sie diese 7 der erstaunlichsten Durchbrüche des Jahres 2021, von im Labor gezüchteten Mini-Gehirnen bis hin zu künstlicher Intelligenz, die die Evolutionsgeheimnisse des menschlichen Gehirns aufdeckt.
Einem Forschungsteam an der University of California in San Francisco ist es gelungen, mithilfe der Tiefenhirnstimulation (DBS) eine Methode zu entwickeln, um depressive Symptome erst dann adaptiv zu behandeln, wenn sie auftreten. Bei der Tiefenhirnstimulation werden Elektroden in das Gehirn implantiert, um elektrische Ströme abzugeben und so die Gehirnaktivität zu verändern.
Frühere Studien hatten bei der Behandlung von Depressionen mit DBS nur begrenzte Erfolge, da die Geräte nur eine konstante elektrische Stimulation in einem Bereich des Gehirns abgeben konnten. Depressionen können jedoch verschiedene Bereiche des Gehirns betreffen und die neuronalen Signaturen einer Depression können unvorhersehbar ansteigen und abfallen.
Mit dem Ziel, quasi einen Herzschrittmacher für das Gehirn zu schaffen, entschlüsselten die Wissenschaftler einen neuen neuronalen Biomarker. Dieses spezifische Muster der Gehirnaktivität sagt effektiv das Auftreten von Symptomen voraus. Mit diesem Wissen hat das Team eine neue DBS-Technologie angepasst, die nur dann aktiviert wird, wenn und wo sie dieses Muster erkennt.
Die Art der automatischen On-Demand-Therapie ist beeindruckend, da ihre funktionellen Reaktionen sowohl auf das Gehirn des Patienten als auch auf den neuronalen Schaltkreis, der die Krankheit verursacht, einzigartig sind. Im ersten Versuch wurde diese individuelle DBS-Methode an einem Patienten mit schwerer Depression getestet und bestand mit Bravour. Die Beschwerden des Patienten linderten sich fast sofort, und dies hielt auch langfristig an.
In der COVID-Ära, in der Angstzustände und psychische Probleme immer häufiger auftreten, könnte sich dieser Ansatz für Hunderte Millionen Menschen als unschätzbar wertvolle drogenfreie Therapie erweisen.
Ähnlich wie Lichtwellen kann der Mensch von den Schallwellen, die sich um uns herum bewegen, nur ein relativ kleines Spektrum wahrnehmen. Normalerweise können wir nur Frequenzen zwischen 20 Hz und 20.000 Hz erfassen, darüber hinausgehende Frequenzen gelten als Ultraschall. Dies ist der Frequenzbereich, in dem Tiere wie Fledermäuse arbeiten und der auch bei medizinischen Ultraschalluntersuchungen verwendet wird.
Eine neue Methode, die hochentwickelte Technologie nutzt, wurde von Wissenschaftlern der Aalto-Universität entwickelt und hat zu einem Gerät geführt, das Menschen im Grunde ein Hören auf Fledermausniveau ermöglicht . Dazu gehört nicht nur die Fähigkeit, Frequenzen weit über 20.000 Hz zu hören, sondern auch die Richtung und Entfernung der Schallquellen zu erkennen. Für Biologen ist es beispielsweise möglich, ansonsten heimliche Fledermäuse im Flug zu verfolgen und ihre Positionen zu lokalisieren.
Es funktioniert durch die Aufzeichnung von Ultraschall über ein kugelförmiges Mikrofonarray, das Ultraschalltöne erkennt und mithilfe eines Computers die Tonhöhe in hörbare Frequenzen umwandelt. Anschließend werden die umgewandelten Schallwellen in Echtzeit über Kopfhörer abgespielt. Die Fähigkeit, normalerweise unhörbare Geräusche wahrzunehmen, könnte wertvolle industrielle Anwendungen haben, beispielsweise die Möglichkeit, ansonsten lautlose Gaslecks zu hören und zu lokalisieren.
Obwohl die Neurowissenschaften ein relativ junges und schnell wachsendes Wissenschaftsgebiet sind, ist die künstliche Intelligenz (KI) viel neuer und wächst schneller. Das Potenzial der Kombination dieser beiden Wissenschaftsbereiche wurde von Forschern am MIT aufgezeigt .
Durch maschinelles Lernen haben sie herausgefunden, dass künstliche neuronale Netze in nur wenigen Minuten selbst lernen können, wie man riecht, und dabei tatsächlich die Geruchsschaltkreise im Gehirn von Säugetieren nachahmen. Dies ist von grundlegender Bedeutung, da der eingesetzte Algorithmus keine Kenntnisse über die Millionen von Jahren der Evolution hatte, die für die biologische Entwicklung von Gerüchen erforderlich sind.
Doch erstaunlicherweise reproduzierte das künstliche neuronale Netzwerk die biologische Aktivität des Geruchs so genau, dass sich herausstellte, dass das olfaktorische Netzwerk des Gehirns mathematisch für seine Funktion optimiert ist.
Diese präzise Nachahmung der natürlichen Struktur von Schaltkreisen im Gehirn durch unabhängiges maschinelles Lernen könnte eine neue Ära einläuten, in der KI uns die inneren Geheimnisse der biologischen Evolution lehrt. Der Geruchssinn ist der Ausgangspunkt im Jahr 2021, aber wer weiß, wohin das führen könnte ...
Forscher der UC San Francisco haben eine neuartige Sprachneuroprothese für Patienten mit Lähmungen entwickelt, die sie am Sprechen hindert. Die Methode wurde erfolgreich an einem Mann mit einem schwer geschädigten Hirnstamm demonstriert, der zu einer Ganzkörperlähmung führte.
Bemerkenswerterweise funktioniert es, indem es sprachbezogene Gehirnsignale erkennt, die die Stimmbänder steuern. Beim Sprechen benötigen die Stimmbänder komplexe motorische Anweisungen, um die große Vielfalt an Lauten artikulieren zu können, die wir bei Gesprächen verwenden. Selbst wenn man sich nicht bewegen kann, können diese Signale dennoch vom Gehirn gesendet werden.
Anhand von Gehirnaufzeichnungen von Epilepsiepatienten entwickelten die Wissenschaftler eine Methode zur Echtzeit-Dekodierung von Anweisungen an die Stimmmuskulatur in Worte. Anhand dieser neuronalen Muster konnten sie zuverlässig 50 verschiedene gebräuchliche Wörter erkennen, wann immer der Patient sie dachte.
Der Patient musste lediglich eine hochdichte Elektrodenanordnung tragen, um die neuronale Aktivität zu erfassen und aufzuzeichnen, die Signale vom sprachmotorischen Kortex aufzeichnete. Dadurch konnten bis zu 18 Wörter pro Minute mit einer Genauigkeit von 93 % übersetzt werden. Der Vorteil für den Patienten bestand darin, dass er einfach so tun musste, als würde er wirklich sprechen, und er konnte Hunderte verschiedener Sätze aus dem 50-Wörter-Vokabular kommunizieren.
Obwohl dieser Durchbruch auf gelähmte Patienten beschränkt zu sein scheint, erleiden wir jede Nacht eine Lähmung, wenn wir träumen (es sei denn, wir gehen schlafen). Wenn dieser Ansatz ausreichend weiterentwickelt wird, könnte er beispielsweise den Weg ebnen, unsere eigenen Gedanken im Schlaf zu übersetzen!
In der Fachsprache „Gehirnorganoide“ genannt, können Minigehirne aus induzierten pluripotenten Stammzellen . Diese Stammzellen können aus der Haut oder dem Blut einer Person entnommen werden und haben das Potenzial, sich in jede Art von Zellen zu verwandeln. Der Vorteil besteht darin, dass Zellstrukturen, die normalerweise sehr schwer zugänglich sind, im Prinzip für Studienzwecke gezüchtet und isoliert werden können. Dies ist insbesondere für das Gehirn relevant, allerdings hatten frühere Minigehirne nur begrenzte funktionelle Strukturen.
Der diesjährige Durchbruch von Wissenschaftlern der UCLA hat die strukturelle Komplexität katapultiert, indem sie Aggregate von Organoiden wachsen ließen, um komplexe dreidimensionale Gehirnstrukturen zu bilden. Die Forscher entnahmen Stammzellen von Patienten mit Rett-Syndrom (einer Erkrankung mit Anfällen) und konnten Minigehirne züchten, deren funktionelle Aktivität Teilen menschlicher Gehirne ähnelte. Dies bedeutete, dass sie Muster elektrischer Aktivität, die dem Beginn von Anfällen ähneln, sicher und erfolgreich beobachten konnten.
Diese Forschung zeigt zum ersten Mal, dass einige Aspekte der Gehirnfunktion isoliert und im Labor bis auf die Ebene einzelner lebender Zellen untersucht werden können. Der Hauptvorteil besteht darin, dass diese Mini-Gehirne gezüchtet werden können, um Aspekte sowohl normaler als auch kranker Gehirnfunktionen nachzubilden und Medikamente und Behandlungen zu testen, ohne dass Risiken für Mensch oder Tier bestehen.
Der Umfang des menschlichen Gehirns ist enorm, daher gibt es immer noch klare Einschränkungen hinsichtlich der Komplexität der Gehirnstrukturen, die untersucht werden können, aber dieser aufstrebende Bereich der Neurowissenschaften hat eindeutig Science-Fiction-ähnliches Potenzial.
Mit dem exponentiellen Wachstum der Rechenleistung in den letzten Jahrzehnten werden Mikrochips von Jahr zu Jahr kleiner. Auf Technologie spezialisierte Neurowissenschaftler der Brown University haben jetzt einen drahtlosen Computer entwickelt, der so klein ist, dass er vom menschlichen Auge leicht übersehen werden kann. Sie werden „Neurokörner“ genannt – weil sie etwa die Größe eines Salzkorns haben – und wurden entwickelt, um die Gehirnaktivität zu verfolgen und zu überwachen.
Diese ultrakleinen Computer sind in der Lage, elektrische Aktivitäten von nahegelegenen Neuronen aufzuzeichnen und ihre Daten drahtlos zu übertragen. Ziel war die Entwicklung eines neuartigen Brain-Computer-Interface-Systems (BCI), bei dem ein Netzwerk von Minisensoren gemeinsam bedeutungsvolle Aspekte der Gehirnaktivität verfolgen und die Informationen an einen nahegelegenen Hub senden kann.
In einem Proof-of-Concept-Experiment setzten die Forscher ein Netzwerk ein, um die neuronale Aktivität eines Nagetiers erfolgreich und mit viel größerer Genauigkeit als je zuvor aufzuzeichnen. Diese Aufzeichnung von Gehirnsignalen in beispielloser Detailliertheit befindet sich noch in einem frühen Stadium, aber der technologische Durchbruch verspricht viel, Gehirnwellen ohne körperliche Anstrengung in nützliche Aktionen in der realen Welt umwandeln zu können.
In diesem Jahr wurde ein neuartiges Mikroelektroden-Array verwendet, um mithilfe einer Sehprothese eine Form des künstlichen Sehens zu erzeugen. Wissenschaftler der University of Utah am John A. Moran Eye Center haben das Gerät entwickelt, um die neuronale Aktivität im visuellen Kortex aufzuzeichnen und zu stimulieren.
Das im Auge implantierte Array empfängt visuelle Informationen über eine Brille mit einer kleinen Videokamera, wobei die Daten von einer speziellen Software verarbeitet werden. Das Gerät aktiviert dann Netzhautneuronen, um Phosphene zu produzieren, als ob sie Lichtpunkte empfangen würden. Dies wiederum ermöglicht es dem Geist, grundlegende Bilder von Linien und Formen wahrzunehmen.
Bei einem Versuch mit einem völlig blinden Patienten erwies sich diese Methode als wirksam und verursachte keine Komplikationen durch die Operation oder die neuronale Stimulation. In diesem ersten Test wurde nur ein einzelnes Array verwendet. Das nächste Ziel besteht jedoch darin, 7 bis 10 Arrays zu verwenden, um detailliertere Bilder zu liefern, die es blinden Menschen ermöglichen, tatsächlich visuell durch die Welt zu navigieren.
Eine neue Klasse „tanzender Moleküle“ wurde von Forschern der Northwestern University eingesetzt, um Gewebe bei schweren Rückenmarksverletzungen zu reparieren und Lähmungen erfolgreich umzukehren . Der Tanzteil besteht darin, die Bewegung dieser Moleküle so zu manipulieren, dass sie sich in normalerweise nicht erreichbare zelluläre Rezeptoren hineinschlängeln können, um sie zu veranlassen, Nervengewebe zu reparieren.
Diese scheinbar magischen Moleküle wirken, indem sie kaskadierende Signale auslösen, die Regeneration von Axonen anregen und Neuronen helfen, nach einer Verletzung zu überleben, indem sie die Entstehung einer Vielzahl neuer Zelltypen fördern. Dies wiederum unterstützt das Nachwachsen verlorener Blutgefäße, die für die Zellheilung notwendig sind.
Bei Tests an Mäusen führte nur eine einzige Injektion der molekularen Therapie dazu, dass die gelähmten Mäuse in weniger als vier Wochen wieder laufen konnten. Praktischerweise werden die Materialien 12 Wochen später (lange nachdem die Genesung abgeschlossen ist) ohne Nebenwirkungen biologisch zu Nährstoffen für die Zellen abgebaut und verschwinden auf natürlichem Weg effektiv aus dem Körper.
Virtuelle Realität (VR) wird seit Jahrzehnten von Psychophysikern genutzt, um zu untersuchen, wie wir Sinnesinformationen wahrnehmen. Dieses Jahr haben Forscher der Universität Basel, der ältesten Universität der Schweiz, eine Virtual-Reality-Anwendung entwickelt, um Höhenphobien tatsächlich zu behandeln .
namens Easyheights bietet eine Belichtungstherapie mit 360°-Bildern realer Orte. Mit einem VR-Headset stehen Benutzer auf einer Plattform, die einen Meter über dem Boden beginnt und dann schrittweise ansteigt, während sich der Benutzer an die jeweilige Höhenstufe gewöhnt. Es funktioniert, indem es die sensorische Exposition gegenüber der Höhe erhöht, ohne dass die Angst zunimmt.
Eine klinische Studie zeigte die Wirksamkeit dieser immersiven Behandlungsform und führte zu einer deutlichen Verringerung der Phobie in Situationen mit realer Körpergröße. Die Vorteile konnten bereits nach vier Stunden Heimtraining festgestellt werden. Diese Entdeckung zeigt, wie die Kombination neurowissenschaftlicher Erkenntnisse mit heutigen Technologien die Lebensqualität der Menschen auf leicht zugängliche Weise klinisch verbessern kann.
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Hier sind einige faszinierende neurowissenschaftliche Erkenntnisse über das menschliche Gehirn, die Sie vielleicht noch nicht kennen.
Verschiedene NeuroTracker-Forschungsansätze haben zu faszinierenden Erkenntnissen darüber geführt, wie das Gehirn die menschliche Leistung und das Wohlbefinden beeinflusst
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