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Neuronale Prothese zur Gedächtnisbildung

22.06.2011

Kalfornische Neuroingenieure berichten, dass sie einen neuronalen Schaltkreis im Hippocampus von Ratten durch eine Prothese ersetzen konnten

Während sich die einen damit beschäftigen, wie man bestimmte Erinnerungen aus dem Gedächtnis löschen könnte, forschen andere daran, wie sich Erinnerungen ein- und ausschalten bzw. wie sich bestimmte neuronale Schaltkreise ersetzen ließen.

US-Wissenschaftler unter der Leitung von Theodore Berger, Direktor des Center for Neural Engineering an der University of Southern California in Los Angeles, haben nun, wie sie berichten, erstmals eine neuronale Prothese für Rattengehirne entwickelt, durch die man einen nicht mehr funktionierenden neuronalen Schaltkreis substituieren kann.

In der Prothese werden die Verbindungen zwischen den Neuronen so nachgebaut, so die Wissenschaftler in ihrem Artikel im Journal of Neural Engineering, dass sie von den umgebenden Neuronen erkannt werden und entsprechende Interaktionen stattfinden können. Demonstriert wurde die neuronale Prothese an zwei Bereichen im Hippocampus, die eine wichtige Rolle bei der Bildung des Langzeitgedächtnisses während der Bewältigung von kognitiven Aufgaben spielt. Voraussetzung der Rekonstruktion der neuronalen Funktion durch Teile eines künstlichen Hippocampus ist, dass die Input-Muster erfasst, die Aktivitäten der Neuronen in ihrem raumzeitlichen Feuerungsmuster während der Lösung der Gedächtnisaufgabe aufgenommen und die aus dem neuronalen Schaltkreis ausgehenden Muster identifiziert werden können.

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Darstellung der neuronalen Prothese. Bild: Theodore Berger

Den Ratten, die mit einem Kabel mit einem Computer verbunden waren, wurden in den Hippocampus zwei Elektroden mit zwei Reihen von je 8 Drähten zur Abnahme des neuronalen Feuerungsmusters der CA1- und CA3-Zellen implantiert. Die Aktivität der CA3-Zellen stellte den Input dar, die der CA1-Zellen den Output. Die Ratten lernten, in welcher Reihenfolge sie zwei Hebeln drücken mussten, um eine Belohnung zu erhalten. Dabei werden Informationen im Hippocampus aus dem Kurzzeit- in das Langzeitgedächtnis überführt.

Mit dem aus den Daten realisierten nichtlinearen MIMO-Modell (Multi-Input/Multi-Output) ließ sich in der Simulation die Leistung beim selben Gedächtnisversuch erfolgreich vorhersagen und eine Prothese bauen, die die Funktion des neuronalen Schaltkreises ersetzt. Die Prothese nimmt die Input-Muster auf und erzeugt elektrische Stimulationen, die durch die Elektroden an die CA1-Zellen ausgegeben werden. Wenn bei Ratten medikamentös der neuronale Schaltkreis zwischen den CA1- und CA3-Zellen für zwei Wochen lahmgelegt wurde, dann konnten sie sich zwar ein paar Sekunden lang an die gelernte Kombination erinnern, aber durch die Blockade wurde das Gelernte nicht ins Langzeitgedächtnis überführt. Mit der Stimulation durch die Prothese konnte die Blockade übergangen werden und waren die Ratten wieder lernfähig. Bei nicht medikamentös behandelten Ratten wurden die damit verbundenen kognitiven Prozesse durch die Prothese verbessert. Sie verstärkt also vermutlich die Gedächtnisbildung.

Theodore Berger stellt das Ergebnis vereinfachend so dar: "Stellt man das Gerät an, erinnern sich die Ratten, schaltet man es aus, vergessen sie." Und weil sich bei Ratten mit intakten Hippocampus-Schaltkreisen die Gedächtnisleistung verbesserte, könnten künftige neuronale Prothesen nicht nur Gedächtnisprobleme bei Menschen mit Alzheimer oder nach einem Hirnschlag beseitigen, sondern vielleicht auch zur kognitiven Verbesserung verwendet werden, wenn es um die Weiterleitung von Informationen zwischen Gehirngebieten geht. Zumindest glaubt Berger, dass die Stimulationsmuster nicht auf die Lernaufgabe beschränkt sind, sondern dass die Prothese auch bei anderen kognitiven Funktionen die Gedächtnisbildung wieder herstellen oder ersetzen kann. Zunächst wollen Die Wissenschaftler ihre Prothese an Affen testen.

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