Eine bahnbrechende neue Gehirn-Maschine-Schnittstelle (BMI) nutzt Licht, um direkt mit dem Gehirn zu kommunizieren und traditionelle Sinneswege zu umgehen. Jüngste Experimente mit Mäusen demonstrieren ein minimalinvasives drahtloses Gerät, das in der Lage ist, künstliche Eingaben an genetisch veränderte Neuronen zu übermitteln und so über Lichtmuster effektiv mit dem Gehirn zu „sprechen“. Diese Technologie könnte die neurowissenschaftliche Forschung revolutionieren und vielversprechend für zukünftige Fortschritte in der Prothetik sein.
So funktioniert das Gerät
Das Gerät ist kleiner als ein menschlicher Finger, passt sich der Krümmung des Schädels an und enthält 64 winzige LEDs, eine elektronische Schaltung und eine Empfangsantenne. Es nutzt Nahfeldkommunikation (NFC) – die gleiche Technologie wie kontaktlose Kartenzahlungen – um die LEDs drahtlos zu steuern. Im Gegensatz zu herkömmlichen BMIs, die direkte Gehirnimplantate oder sperrige externe Hardware erfordern, sitzt dieses Gerät unter der Kopfhaut und projiziert Licht direkt auf das Gehirngewebe.
Der Schlüssel liegt in der genetischen Veränderung. Gehirnzellen reagieren von Natur aus nicht auf Licht, daher nutzten Forscher die Genbearbeitung, um lichtempfindliche Ionenkanäle in Neuronen einzuführen. Bei Aktivierung durch die LEDs lösen diese Kanäle neuronale Signale aus und ermöglichen so eine präzise Kontrolle der Gehirnaktivität. Diese als Optogenetik bekannte Technik ermöglicht es Forschern, das sensorische System vollständig zu umgehen.
Mausexperimente demonstrieren Funktionalität
In Experimenten wurden Mäuse darauf trainiert, bestimmte Lichtmuster mit Belohnungen zu verknüpfen. Durch die drahtlose Steuerung der LEDs konnten Forscher das Gerät anweisen, verschiedene Lichtstöße zu erzeugen, die die Mäuse zu erkennen und darauf zu reagieren lernten. Bestimmte Muster führten sie beispielsweise zu Zuckerwasser, das in einem Laborlabyrinth versteckt war.
„Es ist, als könnten wir eine Reihe von Bildern – fast so, als würden wir einen Film abspielen – direkt in das Gehirn projizieren, indem wir die Abfolge von Mustern steuern“, sagte John Rogers, der leitende Autor der Studie von der Northwestern University.
Das Gerät ist nicht auf die Stimulation visueller Wahrnehmungsbereiche beschränkt. Es kann Neuronen im gesamten Kortex aktivieren und so komplexe Muster neuronaler Aktivität ermöglichen.
Implikationen für zukünftige Forschung und Prothetik
Das Team sieht großes Potenzial in der Prothetik. Diese Technologie könnte den Prothesen realistische Empfindungen wie Berührung oder Druck verleihen oder Patienten mit sensorischen Beeinträchtigungen sogar den akustischen oder visuellen Input wiederherstellen.
Bin He, ein Neuroingenieurforscher an der Carnegie Mellon University, der nicht an der Studie beteiligt war, nannte die Technik „neuartig“ und schlug vor, dass sie „verschiedene Anwendungen in der neurowissenschaftlichen Forschung unter Verwendung von Tiermodellen … und darüber hinaus“ haben könnte.
Es bestehen jedoch weiterhin regulatorische Hürden. Die größte Herausforderung besteht darin, die Zulassung für die genetische Veränderungskomponente zu erhalten, da optogenetische Techniken gerade erst am Anfang der Erforschung beim Menschen stehen. Obwohl erwartet wird, dass das Gerät beim Menschen ähnlich funktioniert, sind weitere Tests erforderlich.
Diese Technologie stellt ein leistungsstarkes Werkzeug für die neurowissenschaftliche Grundlagenforschung dar. Es ermöglicht Wissenschaftlern, natürliche Sinneskanäle zu umgehen und direkt mit dem Gehirn zu kommunizieren, was neue Wege zum Verständnis neuronaler Prozesse eröffnet. Während Versuche am Menschen noch Jahre entfernt sind, markiert dieser Durchbruch einen bedeutenden Schritt in Richtung einer neuen Generation von Gehirn-Maschine-Schnittstellen.
