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Laser-Holografie

Forscher schreiben Erregungsmuster direkt ins Gehirn

Jeder Gedanke äußert sich als komplexes Muster in der Aktivität der Hirnzellen. In winzigen Ausschnitten des Kortex übernehmen nun Forscher das Ruder - und geben das Muster vor.
Illustration: Neurone im Computer

Ein neues 3-D-Verfahren treibt die Hirnstimulation auf die Spitze: Es soll Forschern ermöglichen, dutzende oder gar tausende Neurone in der Großhirnrinde komplett fremdzusteuern. Ziel des Ganzen ist es, einem Versuchstier beispielsweise falsche Sinnesempfindungen einzupflanzen und zu messen, wie das Gehirn darauf reagiert. Eines Tages könnte die Technik auch dazu genutzt werden, den Trägern von Prothesen künstliche, aber sehr realistische Sinneseindrücke zu vermitteln. Noch befindet sich das Verfahren in der frühen Entwicklungsphase.

Das Team um Hillel Adesnik von der University of California in Berkeley griff dazu auf ein verbreitetes Verfahren aus dem Werkzeugkasten der Neuroforscher zurück, die Optogenetik. Dabei werden Nervenzellen mittels Gentechnik lichtempfindlich gemacht, so dass sie die Bestrahlung mit einem Laser in Erregung versetzt. Die Wissenschaftler nahmen sich nun einen Ausschnitt auf der Oberfläche des Kortex – der Großhirnrinde – vor, der einen halben Quadratmillimeter groß war und einen Zehntelmillimeter in die Tiefe reichte. Ein solcher Quader enthält 2000 bis 3000 Neurone.

Laser-Hologramm
Laser-Hologramm | Der holografische Projektor erzeugt fokussiertes Laserlicht an bis zu 50 frei wählbaren Stellen im Raum – hier sitzen die Neurone, die erregt werden sollen.

Um nun ausschließlich bestimmte Zellen in diesem dreidimensionalen Geflecht ansprechen zu können, entwickelte Adesniks Team einen holografischen Projektor, der das Laserlicht mit Hilfe von Flüssigkristallen so modifiziert, dass es nur an bestimmten Stellen, nämlich überall dort, wo sich anvisierte Neuronen befinden, die Zellen erregen kann. Bislang gelingt es den Wissenschaftlern, 50 Hirnzellen auf einmal zu manipulieren, diese aber so schnell und präzise, dass das künstlich hervorgerufene Aktivitätsmuster den natürlichen entspricht. 300-mal pro Sekunde können sie 50 neue Zielneurone aktivieren.

Gleichzeitig installierten sie ein herkömmliches Mikroskop, mit dem sich das Feuern der Hirnzellen erfassen lässt, so dass die Auswirkungen ihrer Stimulation beobachtet und später auch analysiert werden können. Zudem erlaubt es das Mikroskop, natürliche Erregungsmuster vorab zu identifizieren, um sie anschließend beispielsweise als Playback wieder in die Großhirnrinde einzuspielen. Bei ihren ersten Tests an Mäusen, über die sie jetzt im Journal »Nature Neuroscience« berichten, stellten die Forscher die grundsätzliche Funktionsfähigkeit der Technik unter Beweis. Allerdings zeigte sich im Verhalten der Versuchstiere keine Änderung durch die Stimulation – ob die Tiere diese Manipulationsversuche bemerkten, ist ungewiss. Künftig wollen die Wissenschaftler die Mäuse darauf trainieren, auf bestimmte Erregungsmuster zu reagieren, um so den Erfolg der Aktion anzuzeigen.

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