7 der spannendsten neurowissenschaftlichen Entdeckungen des Jahres 2021

Die Geschwindigkeit neurowissenschaftlicher Entdeckungen ist von Jahr zu Jahr gleichermaßen faszinierend wie unaufhaltsam. Von im Labor gezüchteten Mini-Gehirnen bis hin zu künstlicher Intelligenz, die evolutionäre Geheimnisse des menschlichen Gehirns entschlüsselt – hier sind sieben der erstaunlichsten Durchbrüche des Jahres 2021.

Behandlung schwerer Depressionen mit adaptiver Tiefenhirnstimulation

Ein Forschungsteam der University of California San Francisco hat erfolgreich eine Methode entwickelt, die auf der Tiefenhirnstimulation (THS) basiert und depressive Symptome gezielt und nur bei deren Auftreten behandelt. Bei der Tiefenhirnstimulation werden Elektroden ins Gehirn implantiert, um elektrische Ströme abzugeben und so die Hirnaktivität zu verändern.

Bisherige Studien zur Behandlung von Depressionen mit DBS hatten nur begrenzten Erfolg, da die Geräte lediglich eine konstante elektrische Stimulation in einem Hirnareal abgeben konnten. Depressionen können jedoch verschiedene Hirnregionen betreffen, und die neuronalen Merkmale einer Depression können unvorhersehbar schwanken.

Mit dem Ziel, quasi einen Schrittmacher für das Gehirn zu entwickeln, entschlüsselten die Wissenschaftler einen neuen neuronalen Biomarker. Dieses spezifische Muster der Hirnaktivität sagt den Beginn von Symptomen zuverlässig voraus. Auf dieser Grundlage entwickelte das Team eine neue DBS-Technologie, die nur dann und dort aktiv wird, wo dieses Muster erkannt wird.

Diese Form der automatischen, bedarfsgesteuerten Therapie ist beeindruckend, da ihre funktionellen Reaktionen sowohl auf das Gehirn des Patienten als auch auf den für die Erkrankung verantwortlichen neuronalen Schaltkreis individuell abgestimmt sind. In einer ersten Studie wurde diese personalisierte DBS-Methode an einem Patienten mit schwerer Depression getestet und erzielte dabei hervorragende Ergebnisse. Die Symptome des Patienten besserten sich nahezu unmittelbar und dieser Zustand hielt langfristig an.

In der COVID-Ära, in der Angstzustände und psychische Probleme immer häufiger auftreten, könnte sich dieser Ansatz als unschätzbare medikamentenfreie Therapie für Hunderte von Millionen Menschen erweisen.

Jenseits des menschlichen Hörvermögens

Ähnlich wie bei Lichtwellen können Menschen nur einen relativ kleinen Teil der uns umgebenden Schallwellen wahrnehmen. Typischerweise können wir nur Frequenzen zwischen 20 Hz und 20.000 Hz hören; alles darüber hinaus gilt als Ultraschall. In diesem Frequenzbereich bewegen sich Tiere wie Fledermäuse, und er wird auch bei medizinischen Ultraschalluntersuchungen genutzt.

Eine neue Methode, die auf hochentwickelter Technologie basiert, wurde von Wissenschaftlern der Aalto-Universität entwickelt und hat zu einem Gerät geführt, das Menschen ein Hörvermögen wie Fledermäuse verleiht. Dies umfasst nicht nur die Fähigkeit, Frequenzen weit über 20.000 Hz wahrzunehmen, sondern auch die Richtung und Entfernung von Schallquellen zu bestimmen. Biologen können damit beispielsweise die sonst schwer zu ortenden Fledermäuse im Flug verfolgen und ihre Positionen ermitteln.

Das Gerät funktioniert durch die Aufzeichnung von Ultraschall mithilfe eines kugelförmigen Mikrofonarrays. Dieses erfasst Ultraschallgeräusche und wandelt die Tonhöhe mithilfe eines Computers in hörbare Frequenzen um. Die umgewandelten Schallwellen werden dann in Echtzeit über Kopfhörer wiedergegeben. Die Fähigkeit, normalerweise unhörbare Geräusche wahrzunehmen, könnte wertvolle industrielle Anwendungen ermöglichen, beispielsweise das Aufspüren und Lokalisieren von ansonsten geräuschlosen Gaslecks.

KI lernt selbstständig zu riechen, genau wie Menschen

Obwohl die Neurowissenschaften ein relativ junges und schnell wachsendes Wissenschaftsgebiet sind, ist die künstliche Intelligenz (KI) deutlich jünger und entwickelt sich noch rasanter. Das Potenzial der Kombination dieser beiden Wissenschaftsfelder wurde von Forschern am MIT aufgezeigt.

Mithilfe von maschinellem Lernen haben sie entdeckt, dass künstliche neuronale Netze innerhalb weniger Minuten selbstständig das Riechen erlernen können und dabei die olfaktorischen Schaltkreise im Gehirn von Säugetieren nachahmen. Dies ist bahnbrechend, da der verwendete Algorithmus keinerlei Kenntnis von den Millionen Jahren Evolution hatte, die für die biologische Entwicklung des Geruchssinns notwendig waren.

Erstaunlicherweise bildete das künstliche neuronale Netzwerk die biologische Aktivität des Geruchssinns so genau nach, dass sich herausstellte, dass das olfaktorische Netzwerk des Gehirns mathematisch für seine Funktion optimiert ist.

Diese präzise Nachahmung der natürlichen Schaltkreisstruktur im Gehirn durch unabhängiges maschinelles Lernen könnte eine neue Ära einläuten, in der uns KI die innersten Geheimnisse der biologischen Evolution offenbart. Der Geruchssinn bildet 2021 den Ausgangspunkt, doch wer weiß, wohin die Reise noch führen wird…

Neuroprothese wandelt Gedanken in Sätze bei schwer gelähmtem Patienten um

Forscher der UC San Francisco haben eine neuartige Sprachneuroprothese für Patienten mit Lähmungen entwickelt, die sie am Sprechen hindern. Die Methode wurde erfolgreich an einem Mann mit einer schweren Hirnstammschädigung demonstriert, die zu einer Ganzkörperlähmung führte.

Erstaunlicherweise funktioniert es, indem es sprachbezogene Hirnsignale erkennt, die die Stimmbänder steuern. Beim Sprechen benötigen die Stimmbänder komplexe motorische Anweisungen, um die vielfältigen Laute zu artikulieren, die wir im Gespräch verwenden. Selbst wenn wir uns nicht bewegen können, werden diese Signale weiterhin vom Gehirn gesendet.

Anhand von Hirnaufzeichnungen von Epilepsiepatienten entwickelten die Wissenschaftler eine Methode zur Echtzeit-Dekodierung von Anweisungen an die Stimmmuskulatur in Wörter. Aus diesen neuronalen Mustern konnten sie zuverlässig 50 verschiedene gebräuchliche Wörter erkennen, sobald der Patient sie dachte.  

Alles, was dafür nötig war, war, dass der Patient eine hochdichte Elektrodenanordnung trug, um die neuronale Aktivität zu erfassen und aufzuzeichnen. Diese zeichnete Signale des Sprachmotorkortex auf. 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 sprechen, und so Hunderte verschiedener Sätze aus dem 50 Wörter umfassenden Wortschatz kommunizieren konnte.

Obwohl dieser Durchbruch scheinbar auf gelähmte Patienten beschränkt ist, erleben wir jede Nacht im Traum eine Art Lähmung (außer beim Schlafwandeln). Bei ausreichender Weiterentwicklung könnte dieser Ansatz beispielsweise den Weg ebnen, unsere Gedanken im Schlaf zu übersetzen!

Menschliche Mini-Gehirne mit komplexer neuronaler Aktivität entwickelt

Technisch als „Hirnorganoide“ bezeichnete Mini-Gehirne können aus induzierten pluripotenten Stammzellen. Diese Stammzellen können aus der Haut oder dem Blut einer Person gewonnen werden und besitzen das Potenzial, sich in jeden beliebigen Zelltyp zu differenzieren. Der Vorteil besteht darin, dass Zellstrukturen, die normalerweise sehr schwer zugänglich sind, prinzipiell gezüchtet und für Forschungszwecke isoliert werden können. Dies ist insbesondere für das Gehirn relevant, allerdings wiesen bisherige Mini-Gehirne nur begrenzte funktionelle Strukturen auf.

Der diesjährige Durchbruch von Wissenschaftlern der UCLA hat die strukturelle Komplexität des Gehirns erheblich gesteigert, indem sie Organoidaggregate zu komplexen dreidimensionalen Hirnstrukturen züchteten. Die Forscher entnahmen Stammzellen von Patienten mit Rett-Syndrom (einer Erkrankung mit Krampfanfällen) und konnten so Mini-Gehirne mit einer funktionellen Aktivität züchten, die der von Teilen des menschlichen Gehirns ähnelt. Dadurch konnten sie sicher und erfolgreich elektrische Aktivitätsmuster beobachten, die dem Beginn von Krampfanfällen ähneln.

Diese Forschung zeigt erstmals, dass sich bestimmte Aspekte der Hirnfunktion im Labor bis hin zur Ebene einzelner lebender Zellen isolieren und untersuchen lassen. Der entscheidende Vorteil besteht darin, dass diese Mini-Gehirne so gezüchtet werden können, dass sie sowohl normale als auch krankhafte Hirnfunktionen nachbilden und Medikamente und Therapien risikofrei für Mensch und Tier testen.

Das menschliche Gehirn ist von enormer Größe, daher gibt es noch klare Grenzen hinsichtlich der Komplexität der Gehirnstrukturen, die untersucht werden können, aber dieses aufstrebende Gebiet der Neurowissenschaften hat eindeutig ein Potenzial wie in Science-Fiction-Filmen.

„Neurograins“ werden zur Entwicklung der nächsten Generation von Gehirn-Computer-Schnittstellen eingesetzt

Angesichts des exponentiellen Wachstums der Rechenleistung in den letzten Jahrzehnten sind Mikrochips jedes Jahr kleiner geworden. Technologieorientierte Neurowissenschaftler der Brown University haben nun einen drahtlosen Computer entwickelt, der so klein ist, dass er mit bloßem Auge kaum zu erkennen ist. Diese sogenannten „Neurograins“ – da sie etwa so groß wie ein Salzkorn sind – wurden entwickelt, um die Hirnaktivität zu erfassen und zu überwachen.  

Diese winzigen Computer können die elektrische Aktivität benachbarter Neuronen aufzeichnen und die Daten drahtlos übertragen. Ziel war die Entwicklung eines neuartigen Gehirn-Computer-Interfaces (BCI), bei dem ein Netzwerk dieser Mini-Sensoren gemeinsam relevante Aspekte der Gehirnaktivität erfasst und die Informationen an einen nahegelegenen Hub sendet.

In einem Machbarkeitsnachweis setzten die Forscher ein Netzwerk ein, um die neuronale Aktivität eines Nagetiers mit bisher unerreichter Genauigkeit aufzuzeichnen. Diese Aufzeichnung von Hirnsignalen in beispielloser Detailgenauigkeit befindet sich zwar noch in der Entwicklung, doch der technologische Durchbruch birgt großes Potenzial, Hirnwellen ohne körperliche Anstrengung in nützliche Handlungen im Alltag umzuwandeln.

Wiederherstellung des Sehvermögens bei vollständig blinden Menschen

In diesem Jahr wurde eine neuartige Mikroelektrodenanordnung eingesetzt, um mithilfe einer Sehprothese eine Form des künstlichen Sehens zu erzeugen. Wissenschaftler der Universität Utah am John A. Moran Eye Center entwickelten das Gerät , um neuronale Aktivität im visuellen Kortex aufzuzeichnen und zu stimulieren.

Das im Auge implantierte System empfängt visuelle Informationen über eine Brille mit einer kleinen Videokamera. Die Daten werden von einer speziellen Software verarbeitet. Das Gerät aktiviert dann die Netzhautneuronen, die Phosphene erzeugen, ähnlich wie Lichtpunkte. Dadurch können einfache Linien und Formen vom Gehirn wahrgenommen werden.

Diese Methode wurde an einem vollständig blinden Patienten getestet und erwies sich als wirksam. Es traten keine Komplikationen im Zusammenhang mit dem Eingriff oder der neuronalen Stimulation auf. In diesem ersten Test wurde lediglich ein einzelnes Array verwendet. Das nächste Ziel ist jedoch der Einsatz von 7 bis 10 Arrays, um detailliertere Bilder zu erzeugen, die es blinden Menschen ermöglichen, sich visuell in ihrer Umgebung zu orientieren.

Neue injizierbare Molekulartherapie repariert schwere Rückenmarksverletzungen

Forscher der Northwestern University haben eine neue Klasse von „tanzenden Molekülen“ eingesetzt, um Gewebe bei schweren Rückenmarksverletzungen zu reparieren und Lähmungen erfolgreich rückgängig zu machen. Der Begriff „tanzende Moleküle“ beruht darauf, die Bewegung dieser Moleküle so zu manipulieren, dass sie sich in normalerweise unerreichbare Zellrezeptoren hineinschleichen können, um diese zur Reparatur von Nervengewebe anzuregen.

Diese scheinbar magischen Moleküle wirken, indem sie eine Signalkaskade auslösen, die die Regeneration von Axonen anregt und Neuronen nach Verletzungen beim Überleben hilft, indem sie die Bildung verschiedener neuer Zelltypen fördert. Dies wiederum unterstützt das Nachwachsen verlorener Blutgefäße, das für die Zellheilung notwendig ist.

Tests an Mäusen zeigten, dass bereits eine einzige Injektion der molekularen Therapie dazu führte, dass die gelähmten Mäuse innerhalb von vier Wochen wieder laufen konnten. Praktischerweise werden die Substanzen zwölf Wochen später (also weit nach vollständiger Genesung) ohne Nebenwirkungen in Nährstoffe für die Zellen abgebaut und verschwinden so auf natürliche Weise aus dem Körper.

VR bietet Therapie zur Überwindung von Höhenangst

Virtuelle Realität (VR) wird von Psychophysikern seit Jahrzehnten genutzt, um zu erforschen, wie wir Sinnesinformationen wahrnehmen. In diesem Jahr entwickelten Forscher der Universität Basel, der ältesten Universität der Schweiz, eine VR-Anwendung zur Behandlung von Höhenangst.

Die EasyheightsTherapie steigert die sensorische Wahrnehmung der Höhe, ohne dabei die Höhenangst zu verstärken.

Eine klinische Studie belegte die Wirksamkeit dieser immersiven Therapieform und führte zu einer signifikanten Reduktion der Höhenangst in realen Situationen. Bereits nach vier Stunden Training zu Hause waren positive Effekte spürbar. Diese Entdeckung zeigt, wie die Kombination neurowissenschaftlicher Erkenntnisse mit modernen Technologien die Lebensqualität von Menschen auf leicht zugängliche Weise klinisch verbessern kann.

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