RAPIDO: Gehirnimplantat in Korea reagiert auf Befehle aus den Vereinigten Staaten

Könnte ein Wissenschaftler in ein Gehirnexperiment auf der anderen Seite der Welt eingreifen, ohne seinen Schreibtisch zu verlassen?

Forschende haben diese Möglichkeit nun demonstriert: Sie schickten Befehle aus Chicago an ein drahtloses Gehirnimplantat im 10.596 Kilometer entfernten Daejeon in Südkorea.

Das Signal wurde über das Internet an einen Computer im koreanischen Labor übertragen, der den Befehl drahtlos an das Implantat weiterleitete. Im Mittel reagierte das System nach etwa 109 Millisekunden.

Dieser interkontinentale Test diente als technische Demonstration und zeigte, dass sich das Gerät aus einem anderen Land bedienen lässt.

RAPIDO ermöglicht Fernsteuerung von Gehirnexperimenten

Die Steuerung über große Entfernungen könnte in der Hirnforschung praktisch eingesetzt werden. Wenn Forschende einen Versuchsraum betreten oder sich einem Tier nähern, um Geräte zu bedienen, kann ihre Anwesenheit dessen Verhalten beeinflussen. Ein aus der Ferne aktivierbares Gerät könnte diese Störung verringern und Wissenschaftlern an unterschiedlichen Orten die Teilnahme an denselben Experimenten ermöglichen.

Das System namens RAPIDO wurde von Forschenden des KAIST und der Yonsei University entwickelt und in einer Studie in Science Advances beschrieben.

RAPIDO ist klein genug, um von einer sich frei bewegenden Ratte getragen zu werden, und kann im Gehirn zwei verschiedene Aufgaben übernehmen. Über einen winzigen Kanal kann es eine Substanz abgeben, außerdem kann es Licht mit einer Miniatur-LED aussenden. Beide Funktionen lassen sich getrennt steuern und vorab zeitlich programmieren.

Anders als frühere Implantate verfügt RAPIDO über eine nachfüllbare Kartusche und kann programmierte Dosen sowie Licht über das Internet verabreichen.

„Unser Gehirnimplantat ermöglicht es Forschenden, wiederholte, langfristige und ferngesteuerte Arzneimittel- und optische Eingriffe bei sich frei bewegenden Tieren durchzuführen, ohne das Tier wiederholt zu handhaben oder das Implantat durch zusätzliche Operationen ersetzen zu müssen“, sagte der KAIST-Elektroingenieur Jae-Woong Jeong, der die Studie leitete, gegenüber ScienceAlert.

„Dadurch können Langzeitexperimente mit weniger direkten Eingriffen und einem geringeren Einfluss durch die Anwesenheit von Experimentatoren durchgeführt werden.“

Nach dem Nachweis der Fernverbindung prüfte das Team die beiden Funktionen in getrennten Versuchen mit Ratten.

Wiederholte Kokainabgabe durch das Gehirnimplantat

In der ersten Versuchsreihe untersuchten die Forschenden das System zur Medikamentenabgabe.

Das Implantat gab unterschiedliche Kokainmengen direkt in den Nucleus accumbens ab, eine Hirnregion, die an belohnungsbezogenem Verhalten beteiligt ist.

Die jeweiligen Dosen führten zu entsprechenden Veränderungen der Bewegung der Ratten. Diese Effekte ließen sich zwei, drei und vier Wochen nach der Implantation erneut beobachten.

Damit wurde gezeigt, dass das Implantat über mehrere Wochen wiederholt kontrollierte Dosen verabreichen und messbare Verhaltenseffekte hervorrufen konnte. Eine Behandlung von Abhängigkeit wurde dabei nicht untersucht.

Lichtstimulation beeinflusst erlernte Ortspräferenz

Im zweiten Experiment wurde getestet, ob Licht beeinflussen kann, welche Umgebung die Ratten später bevorzugten. Dabei kam Optogenetik zum Einsatz, durch die ausgewählte Zellen oder Vorgänge in ihnen auf Licht reagieren. ScienceAlert berichtete zuvor über Experimente, bei denen künstliche Neuronen mittels Licht mit genetisch veränderten lebenden Neuronen kommunizierten.

Für diesen zweiten Versuch wurde Kokain den Ratten in den Bauchraum injiziert und nicht über das Implantat verabreicht. So ließ sich die Wirkung des Lichts allein isolieren. Ratten, die Kokain ohne Licht erhielten, bevorzugten später das Abteil, das mit der Droge verbunden war.

Bei einer weiteren Gruppe aktivierte das Licht des Implantats während der Konditionierung den RhoA-Signalweg. Diese Ratten entwickelten nicht dieselbe Vorliebe für das mit Kokain verknüpfte Abteil.

„Zusammen zeigen diese Experimente, dass die Plattform kausale Zusammenhänge zwischen spezifischen neuronalen Manipulationen und Verhalten untersuchen kann“, sagte Jeong gegenüber ScienceAlert.

Die Ergebnisse bedeuten nicht, dass das Gerät Kokainabhängigkeit behandelt hat. Es handelte sich um Machbarkeitsstudien an Ratten; eine erlernte Ortspräferenz zu verringern, ist etwas anderes als eine bereits bestehende Abhängigkeit zu behandeln.

„Die größte Herausforderung besteht darin, die langfristige Sicherheit und Zuverlässigkeit im menschlichen Gehirn nachzuweisen“, sagte Jeong gegenüber ScienceAlert.

Für ein klinisches Gerät wären weitere Untersuchungen zu Biokompatibilität, Verkapselung, Medikamentenabgabe und ausfallsicheren Steuerungen nötig. Auch die Optogenetik stellt eine zusätzliche Herausforderung dar, weil lichtempfindliche Gene sicher eingebracht werden müssen.

„Dieses Gehirnimplantat sollte daher in diesem Stadium eher als Forschungsplattform betrachtet werden, die bei der Entwicklung und Bewertung künftiger Therapiestrategien helfen könnte, und nicht als klinisches Gerät an sich“, sagte Jeong.

Drahtlose Gehirnimplantate zur Abgabe von Medikamenten und Licht sind nicht völlig neu. Frühere Arbeiten unter Beteiligung des KAIST-Ingenieurs Jae-Woong Jeong führten zu per Smartphone gesteuerten Implantaten mit austauschbaren Medikamentenkartuschen für sich frei bewegende Mäuse.

Der wichtigste Fortschritt von RAPIDO besteht darin, mehrere Fähigkeiten zu kombinieren: wiederholbare Medikamentenabgabe, gezielte Lichtstimulation, programmierbaren Betrieb und Steuerung über das Internet.

Die Studie lieferte damit drei eindeutige Ergebnisse. Ein Gehirnimplantat in Korea reagierte auf Befehle, die aus den Vereinigten Staaten gesendet wurden. Das Gerät gab über einen Zeitraum von bis zu vier Wochen wiederholt Kokain ab. Und in einem separaten Versuch verhinderte die Lichtaktivierung, dass Ratten eine Vorliebe für das mit Kokain verknüpfte Abteil entwickelten.

Zusammen etablieren diese Ergebnisse RAPIDO als ferngesteuertes Forschungswerkzeug, um gezielt bestimmte Hirnprozesse zu verändern und die damit verbundenen Verhaltenseffekte zu messen.

Die Forschung wurde in Science Advances veröffentlicht.

Dieser Artikel wurde von Fiona MacDonald auf Fakten geprüft und von Fiona MacDonald redigiert. Wir sind stolz auf unseren Prüfprozess, aber auch wir sind nur Menschen. Wenn Ihnen ein Fehler auffällt, teilen Sie ihn uns bitte mit.