Kybernetisches Hirn-Implantat schaltet Schmerzen automatisch ab

Ein Hirn-Implantat erkennt auftretende Schmerzen und schaltet sie in Echtzeit ab – jedenfalls im Tierexperiment.

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Teile des Gehirns (anatomisches Modell).

(Bild: Robina Weermeijer / Unsplash)

Von
  • Enno Park

Eine große Zahl von Experimenten hat gezeigt, dass es möglich ist, Information aus dem Gehirn auszulesen. So ist es mittlerweile machbar, in Hirnströmen auftretende Muster automatisch zu interpretieren und damit Roboterarme oder Rollstühle zu steuern. Sogar in Gedanken gesprochene Sprache oder gerade Gehörtes kann durch das Messen und Übersetzen elektrischer Aktivität im motorischen oder auditiven Kortex in Verbindung mit maschinellem Lernen relativ gut rekonstruiert werden. Anders sieht es mit Schmerzen aus: Es ungleich schwieriger, mit Hilfe von Elektroden im Gehirn zu detektieren, ob ein Patient gerade Schmerzen wahrnimmt.

Während viele Sinneseindrücke in fest zugeordneten Hirnregionen verarbeitet werden, ist die Verarbeitung von Schmerz auf viele Stellen des Gehirns verteilt und entsprechend schwer zu detektieren. Man spricht hier auch von der so genannten Schmerz-Matrix des Gehirns. Nun gelang es einem Forschungsteam an der New York University School of Medicine, in diesem Bereich ein Durchbruch. Sie können nicht nur Schmerzen mit Hilfe eines Implantates detektieren, sondern diese in einem zweiten Schritt auch vollautomatisch abschalten.

Zum Lesen der Hirnaktivität wählten sie einen bekannten Punkt der Schmerz-Matrix, den Anterior Cingulate Cortex, einen Teil der Gürtelwindung, die zum limbischen System gehört. Hier verarbeitet das Gehirn zugleich auch viele andere Informationen. Um aus diesem Signal-Wirrwarr die zur Schmerzerkennung relevanten Muster herauszufiltern, verwendeten sie ein Zustandsraummodell. Dies ist eine mathematische Methode, bei der dynamische Systeme in Form von Matrizen und Vektoren dargestellt werden. Anders als in vielen ähnlichen Experimenten wird hier also keine künstliche Intelligenz, sondern ein statistisches Modell verwendet.

Detektiert das System Schmerzen, sendet es sogleich ein Signal an eine andere Hirnregion im präfrontalen Kortex. Deren Stimulierung führt dazu, dass die Schmerzen weniger stark wahrgenommen werden. Allerdings verwenden die Forschenden in ihren Tierexperimenten keine Elektroden zur elektrischen Stimulation, sondern eine optogenetische Stimulation. Das heißt, die gewünschten Neuronen werden zunächst gentechnisch lichtempfindlich gemacht und können anschließend durch Lichtsignale stimuliert werden. Das hat unter anderem den Vorteil, dass kein direkter elektrischer Kontakt zu den betreffenden Neuronen nötig ist und es nicht so leicht zu Narbenbildung und Abkapselungen kommt.

Tatsächlich konnten die Forschenden zeigen, dass dieses System akute Schmerzen erkennen und automatisch unterdrücken kann. Sie fügten genetisch veränderte Ratten an einer Pfote Hitzeschmerzen zu, die daraufhin ihre Pfote 40 Prozent langsamer zurückzogen als bei dem ausgeschalteten System. Das Resultat zeigt auch, dass der Schmerz offenbar nicht vollständig, sondern nur graduell unterdrückt wird.

Zwar wird seit mehr als 10 Jahren die tiefe Hirnstimulation verwendet, um Alzheimer, anders nicht mehr behandelbare Depression und auch neuropathische Schmerzen zu behandeln, allerdings stimulieren diese Systeme die gewünschten Hirnregionen ununterbrochen und nicht nur in dem Moment, wo das Auftreten von Schmerzen gemessen wird. Hierfür wurde dem Rattenhirn ein zusätzlicher kybernetischer Regelkreis hinzugefügt, der irgendwann auch im Menschen denkbar wäre. Ein schmerzbefreiter Cyborg-Soldat ist damit noch nicht in greifbare Nähe gerückt – aber wohl einer, der Schmerzen besser aushalten kann. Medizinisch von größerer Relevanz als die Unterdrückung akuter Schmerzen ist die Frage, ob ein solches System auch chronischen Schmerz regeln kann. Das wäre ein Gamechanger für zahllose Schmerzpatienten, denen medikamentös oftmals nur bedingt geholfen werden kann oder deren Medikamente teils schwere Nebenwirkungen haben.

Dieser Frage widmet sich auch das Forschungsteam in seinem Paper, das als Preprint in der Zeitschrift Nature Biomedical Engineering erschienen ist. Sie induzierten den Ratten eine künstliche Allodynie – eine Überempfindlichkeit für harmlose Berührungen, die dann als Schmerzen empfunden werden. Schmerzhafte Überempfindlichkeiten gegenüber Berührungen, Licht oder Geräuschen können häufig auch mit neuropathsichen Schmerzen einhergehen wie unter anderem Migräne. Im Experiment konnten die Forschenden zeigen, dass ihr System in der Lage ist, auch solche Schmerzen zu lindern.

"Überempfindlichkeiten gehen oft mit Migräne einher, sind aber nicht die Migräne selbst", so der Neurophysiologe Markus Dahlem im Gespräch mit Technology Review. Der CEO des Migräne-App-Entwicklers M-sense findet den Ansatz, Schmerzen aus dem Anterior Cingulate Cortex auszulesen, sehr beeindruckend, allerdings eigne er sich seiner Einschätzung nach nur zum Detektieren nozizeptiver Schmerzen. Das sind solche, die über Nervenbahnen ans Gehirn gemeldet werden, zum Beispiel weil ein Körperteil verletzt oder entzündet ist. Solche Schmerzen können zwar auch chronifizieren, so Dahlem, aber woran wir denken, wenn wir von chronischen Schmerzen sprechen, sind zumeist neuropathische Schmerzen, die auf viele verschiedene Weisen entstehen.

Außerdem stellt sich die Frage, wie im Tierexperiment sicher festgestellt werden kann, dass die Tiere wirklich gerade verschiedene Arten neuropathischer Schmerzen empfinden. Aber wenn das Erkennen und automatische Unterdrücken auch neuropathischer Schmerzen mit diesem System doch gelingen sollte, ist es noch ein weiter Weg vom Tierexperiment bis zu Prototypen für menschliche Gehirne. Diese müssten zudem optogenetisch verändert werden, was nur bei Versuchstieren kein Problem darstellt. Es dürften noch einige Jahre vergehen, bevor chronische Schmerzpatienten anfangen können, sich Hoffnungen auf ein Hirnimplantat zu machen, das automatisch ihre Schmerzen regelt.

Trotzdem ist die Vorstellung zusätzlicher kybernetische Regelkreise im Gehirn faszinierend. Mit Daten aus dem Gehirn in Echtzeit nicht nur Maschinen zu steuern, sondern andere Teile des Gehirns, lädt auf jeden Fall zu allerlei Gedankenexperimenten ein.

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(bsc)