Neuroprothese soll Gedächtnis stärken – Physics World

Neuroprothese soll Gedächtnis stärken – Physics World

Zeitstempel: 7. März 2024, 5:30 Uhr

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Gedächtnisaufgaben zur visuellen Erkennung
Bildrückrufaufgabe Das Forschungsteam verabreichte den Studienteilnehmern während der visuellen Erkennungsgedächtnisaufgaben eine Neurostimulation und stellte dabei signifikante Veränderungen darin fest, wie gut sich die Menschen an Bilder erinnerten. (Mit freundlicher Genehmigung: Wake Forest University School of Medicine)

Ein elektronisches Prothesensystem könnte Menschen mit Gedächtnisstörungen – aufgrund von Alzheimer, Schädel-Hirn-Trauma oder Epilepsie – dabei helfen, sich bestimmte Informationen zu merken. Die neue Technologie, die von Forschern entwickelt wird Medizinische Fakultät der Wake Forest University und für University of Southern California, arbeitet am Hippocampus, einem Teil des Gehirns, der an der Bildung neuer Erinnerungen beteiligt ist.

Gehirn-Computer-Schnittstellen, beispielsweise Roboterglieder, stellen die Kommunikation zwischen dem Gehirn und einem externen Gerät her. Der Hippocampus (der Mensch hat tatsächlich zwei Hippocampi, einen in jeder Gehirnhälfte) kann bis zu einem gewissen Grad neue Neuronen wachsen lassen. Wissenschaftler haben jedoch keine Möglichkeit gefunden, Schäden im Hippocampus zu reparieren. Die von den Forschern entwickelte Nervenprothese nutzt Modelle, die aus der elektrischen Aktivität des Hippocampus abgeleitet sind, um die Erinnerung zu stimulieren.

„Die meisten Schnittstellen zur Gehirnsteuerung verlassen sich darauf, dass das Gehirn herausfindet, wie es mit Eingaben von Dingen umgeht. Wir arbeiten daran, herauszufinden, wie wir die Aktivitäten des Gehirns anpassen können“, sagt Brent Roeder, ein wissenschaftlicher Mitarbeiter am Wake Forest, der seit fast einem Jahrzehnt an dem Projekt arbeitet. „Wir finden heraus, welche Möglichkeiten es gibt, die Gedächtnisfunktion zu verbessern, und welche Wege für welche Menschen und welche Erkrankungen am besten funktionieren?“

Codierung und Decodierung des Speichers

In einer Studie, die 2018 in der Zeitschrift für Neurotechnik, stimulierte das Team Neuronen im Hippocampus in Echtzeit mithilfe eines nichtlinearen mathematischen Modells mit mehreren Eingängen und mehreren Ausgängen. „[In dieser Studie] war es dem Modell egal, woran Sie sich erinnern wollten … es versuchte nur, Ihrem Hippocampus zu helfen, besser zu funktionieren“, erklärt Roeder.

In ihrer neuesten Arbeit, berichtet in Grenzen der Computational Neuroscience, isolierten die Forscher die elektrische Aktivität bestimmter Neuronen und nutzten diese Informationen dann, um den Hippocampus zu stimulieren, um zu sehen, ob dies den Menschen helfen könnte, sich bestimmte Bilder besser zu merken.

An der Studie nahmen 14 Erwachsene teil, die alle eine Epilepsiediagnose hatten und an einem diagnostischen Verfahren zur Hirnkartierung teilnahmen, bei dem Elektroden in mindestens einem Hippocampus platziert wurden. Den Teilnehmern wurden verschiedene Kategorien von Bildern (Tier, Gebäude, Pflanze, Werkzeug oder Fahrzeug) in einer visuellen, verzögerten Match-to-Sample-Gedächtnisaufgabe gezeigt. Die Forscher identifizierten für jede Bildkategorie eine gemeinsame neuronale Aktivität im Hippocampus und nutzten diese Informationen, um ein mathematisch berechnetes, festes Feuermuster abzuleiten. Dieses Feuermuster wurde dann verwendet, um den Hippocampus während einer Gedächtnisaufgabe zur visuellen Erkennung zu stimulieren.

„Wir haben in dieser Studie wirklich zwei Dinge getestet. Die erste Frage lautet: Können Sie zu bestimmten Informationen anregen? Und die zweite Frage war: Wie gut können wir die Informationen anregen, die wir anregen möchten?“ sagt Roeder. „Die Antwort auf die erste Frage lautet also: Ja, Sie können gezielte Informationen anregen. Die Antwort auf die zweite Frage lautet: Nun, es gibt viel Raum für Verbesserungen.“

Die Forscher beobachteten sowohl Steigerungen als auch Abnahmen der Gedächtnisleistung. In etwa 22 % der Fälle gab es einen Unterschied darin, wie gut sich die Teilnehmer an Bilder erinnerten, die ihnen zuvor gezeigt wurden. Wenn die Stimulation auf beiden Seiten des Gehirns erfolgte, zeigten fast 40 % der Teilnehmer mit eingeschränkter Gedächtnisfunktion Veränderungen in der Gedächtnisleistung.

„Das Beispiel, das ich nenne, ist, dass Sie einen Kellner gesehen haben, der ein Tablett an den Fingern trug. Sie stützen nicht das gesamte Tablett, sondern nur einen Teil des Tabletts. Da diese Teile des Tabletts jedoch mit dem Rest des Tabletts verbunden sind, heben sie das gesamte Tablett an“, erklärt Roeder. „Unser Gedächtnis ist assoziativ. Wir versuchen nicht, das gesamte Gedächtnis zu unterstützen – wir versuchen, einen Teil der neuronalen Aktivität zu unterstützen, um das gesamte Gedächtnis zu stärken.“

Die Forscher kommen zu dem Schluss, dass es möglicherweise mehr Überschneidungen zwischen den Bildkategorien gegeben hat als erwartet (Tiere werden beispielsweise häufig in der Nähe von Pflanzen gefunden). Eine stärkere Unterscheidung der Bildkategorien, beispielsweise durch die Anzeige von Farben oder Richtungen anstelle von Bildern, könnte dazu beitragen, die Leistung der elektronischen Prothese zu verbessern.

„Jetzt, da wir wissen, dass es möglich ist, müssen wir es nur noch besser machen“, sagt Roeder.

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